Toponium : une nouvelle fenêtre sur le quark top au LHC

Le quark top est la particule élémentaire la plus massive connue, avec une masse équivalente à celle d’un atome d’or. Étudier cette particule consiste en un enjeu majeur de la physique moderne car ses propriétés pourraient révéler de nouvelles facettes des interactions fondamentales, notamment dans le lien entre le quark top et le boson de Higgs. Le meilleur laboratoire pour une telle exploration est le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le LHC, où des protons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière sont mis en collision.

Dans la majorité des cas, ces collisions produisent des paires de quark top-antiquark top dont la dynamique est bien décrite par la théorie de l’interaction forte, la chromodynamique quantique (QCD). Mais près du seuil de production, un phénomène plus subtil peut se produire : les deux quarks peuvent interagir entre eux et former un état quasi lié appelé toponium. Comme le quark top se désintègre extrêmement rapidement, cet état ne survit pas assez longtemps pour apparaître sous forme bien visible et nette, mais il laisse une empreinte caractéristique dans la distribution en énergie des événements. Ces effets avaient été anticipés théoriquement il y a une trentaine d’années, mais jugés inaccessibles expérimentalement et donc ignorés jusqu’à présent.

Ces deux dernières années, les collaborations CMS et ATLAS (les deux plus grandes expériences et détecteurs de particules du LHC au CERN) ont annoncé avoir observé un excès d’événements top-antitop compatibles avec cette dynamique de toponium. Pour analyser ce signal, les chercheurs du LPTHE, en collaboration avec des équipes en Chine et au Japon, ont développé une nouvelle approche de simulation incorporant les effets de la QCD en régime non relativiste et décrivant la formation de toponium via un formalisme mathématique appelé fonction de Green. Ce modèle prédit des taux de production de toponium en excellent accord avec les observations des deux expériences, ce qui en fait un outil unique pour relier théorie et expérience.

Ces résultats ouvrent une double perspective. Du côté expérimental, les prochaines analyses devront confirmer sans ambiguïté la nature de l’excès, explorer ses propriétés et mesurer son impact sur des quantités clés comme la masse du quark top ou les corrélations quantiques entre quarks top. Du côté théorique, les chercheurs poursuivent l’amélioration des modèles afin d’intégrer des corrections fines qui pourraient devenir observables avec la précision attendue au LHC à haute luminosité. Ainsi, le toponium, longtemps jugé hors d’atteinte, s’impose désormais comme une nouvelle fenêtre unique sur la physique du quark top et sur l’interaction forte.

Références : B. Fuks, K. Hagiwara, K. Ma and Y.J. Zheng, ``Simulating toponium formation signals at the LHC’’, Eur. Phys. J. C 85 (2025) 157, https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-025-13853-3