quark top

Ses propriétés
Comme tous les quarks, le quark top est un
fermion. Il s’agit d’un quark de 3ème génération
possédant une charge électrique de 2⁄3 e. Le
quark top est le plus massif des six quarks que
nous connaissons. Sa grande masse, comparable à celle d’un atome d’or (qui contient 79 protons, 118 neutrons et 79 électrons), lui confère
une caractéristique particulière dans la famille
des quarks : il n’existe pas d’état lié (donc de
particule) avec un quark top (ou antitop).
quark top
L’antiparticule du quark top est l’antiquark top,
de charge électrique -2⁄3 e.
Le quark top interagit principalement par l’intermédiaire de l’interaction forte mais ne peut
se désintégrer que par celle de l’interaction faible, presque exclusivement en un boson W et
un quark bottom. Le modèle standard lui prédit
une durée de vie d’environ 10−25s.
Signature d’un quark top vu par le détecteur
CDF au Tevatron
Sa découverte
Ce quark a été mis en évidence en 1985 au laboratoire de Fermilab (près de Chicago) par deux détecteurs CDF et D0. Des protons étaient envoyés contre des antiprotons dans des collisions
de très haute énergie dans le collisionneur Tevatron, un anneau
de 9 km de circonférence. L’identification de ce quark a été faite
par les signaux électroniques qu’ils produisent. Il fallu appliquer
le principe de conservation du moment pour déterminer la masse
du quark top parmi toutes les particules produites au cours des
collisions proton-antiproton. Les physiciens ont identifié le quark
top en regardant ses descendants. Un quark top se décompose
presque immédiatement en un quarf b et un boson W. Le W se
décompose immédiatement à son tour en deux quarks ou en
un lepton et un neutrino. Les quarks et les gluons apparaisent
dans un rayon étroit de particules appelé un «jet». Lorsque l’on
observe les seconde et troisième générations de la famille des
top, on peut en déduire la création d’un top !
Dans les années précédant la découverte du quark top, on
réalisa que certaines mesures de précision des masses et des
couplages des bosons vecteurs de l’interaction électrofaible
étaient très sensible à la valeur de la masse du quark top. Ces
effets permirent la détection indirecte du quark top, même si
celui-ci ne pouvait pas être produit à l’époque. Ces effets conduisirent Gerard ‘t Hooft et Martinus Veltman à prédire en 1994 une
masse du quark top comprise entre 145 et 185 GeV (ce qui leur
valut en partie le prix Nobel de physique en 1999).
Le quark top fut directement détecté le 2 mars 1995 par
le Tevatron du Fermilab ; à ce jour (2009), il s’agit du
seul endroit au monde où la particule peut être produite
(par milliers en un an), par des collisions proton-antiproton à une énergie de 1,8 TeV.Il apparait en compagnie
de son antiparticule et se désintègre immédiatement en
un quark b et un boson W , lequel se désintègre à son
tour en positon et neutrino électronique ou en muon et
neutrino muonique.
Comment l’observer ?
À cause de son temps de vie très court, le top ne peut pas être détecté directement, mais seulement à partir de
ses produits de désintégration : des quarks bottom et des bosons W. La trace laissée par les mésons peut être
reconstruite à partir du jet de désintégration détecté à quelques millimètres du point de collision. Notons que les
bosons W ont un temps de vie aussi court que les quarks top et tout comme ces derniers, ils ne peuvent pas être
détectés directement. C’est encore une fois par l’analyse du produit de leur désintégration, soit un lepton et son
neutrino ou deux quarks légers, qu’il nous est possible de deviner leur présence. Le lepton provenant de la désintégration du W est toujours très énergétique. Un lepton dur en conjonction avec un jet à haute énergie provenant
de quarks b est donc un signe sans ambiguïté de la présence d’un quark top.
Peut-être en apprendra-t-on plus en 2010, lorsque les expériences CMS et ATLAS, menées au CERN, cerneront
mieux sa masse, confirmeront son état de fermion et trouveront peut-être des particules supersymétriques dans
ses produits de désintégration.
Son rôle en physique subatomique
Le quark top est un représentant de la troisième famille de constituants de la matière. Si cette dernière peut
sembler bien éloignée de la matière ordinaire, constituée de particules de la première famille, cette troisième
famille pourrait avoir joué un rôle déterminant dans l’apparition de la matière aux premiers instants de l’Univers.
En effet, l’énergie dégagée lors du Big-Bang a été rapidement convertie en quantité égale en matière et antimatière, sous la forme de paires particule-antiparticule. Dans l’Univers primordial, très chaud, il y avait équilibre
entre ce processus de création et le processus d’annihilation, où une particule et son antiparticule se désintègrent pour se transformer à nouveau en énergie pure. En augmentant en taille, l’Univers s’est progressivement
refroidi, de sorte que la création de paires n’était plus possible par manque d’énergie disponible. Seule l’annihilation s’est maintenue… Presque toute la matière et l’antimatière initialement produites auraient dû finalement
disparaître, et notre Univers ne contiendrait que de la lumière et quelques miettes de matière et d’antimatière en
quantité égale. Mais nous existons bien, et le monde qui nous entoure est bien fait de matière, sans antimatière
aux alentours !
Le quark top est très lourd et n’a pu être produit que bien avant le quark b. Il permet à cette violation d’exister
par une transition de phase brutale. Il apparaît avant le quark b , il arrête d’être produit avant le b
Actuellement on s’intéresse à la production du quark top « célibataire ». Ce phénomène subatomique rare constitue un test important des prédictions du modèle standard, la théorie actuelle de la physique des particules. Les
méthodes utilisées dans cette analyse permettront aux physiciens de rechercher plus efficacement une particule
bien plus évasive, le boson de Higgs.
Schéma de fonctionnement du collisionneur
protons-antiprotons du Fermilab. Les particules sont tout d’abord accélérées selon les
spécifications requises pour l’expérience
puis dirigées vers les lieux d’expérience, à
savoir les lieux de collision, qui sont aussi
des détecteurs (DZero et DCF) permettant
de repérer et analyser les réactions utiles et
les particules qui en sont le produit.
Pour en savoir plus
• Le laboratoire de Fermilab, près de Chicago, où l’on a découvert le quark top (en anglais) :
http://history.fnal.gov/botqrk.html
• Le site web D0 France
http://d0-france.in2p3.fr/
• Le