La collaboration ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a rapporté un excès dans la production de quarks top-antitop avec une significativité statistique dépassant 8 sigma, bien au-dessus du seuil de 5 sigma conventionnellement requis pour une découverte. Ce résultat, publié dans Reports on Progress in Physics, suggère la formation du « toponium » : un état quasi-lié éphémère dans lequel les particules élémentaires les plus lourdes connues s’embrassent brièvement avant de se désintégrer.
Les quarks top sont les titans du Modèle standard. Chacun pèse autant qu’un atome d’or, comprimé dans un volume plus petit qu’un proton. Au LHC, ils sont produits par paires lorsque des protons entrent en collision à 13 billions d’électrons-volts. Près du seuil d’énergie où cette production commence (environ 345 GeV, soit environ deux fois la masse du quark top), la théorie prédit que les deux quarks devraient ressentir la présence l’un de l’assez fortement pour former un état lié transitoire, un peu comme un proton et un électron peuvent former un atome d’hydrogène.
Cette prédiction, ancrée dans le cadre de la chromodynamique quantique non relativiste (NRQCD), existe depuis des décennies. La trouver en pratique était cependant considérée comme expérimentalement impossible dans un collisionneur hadronique, où les débris de chaque collision enterrent les effets subtils dans une tempête de bruit.
« Cela n’a été rendu possible que par les efforts récents pour relier la théorie de l’information quantique et la physique des collisionneurs », a déclaré Yoav Afik, physicien d’ATLAS à l’Enrico Fermi Institute de l’Université de Chicago.
L’analyse a exploité les observables de corrélation de spin, une technique développée grâce à des études antérieures sur l’intrication quantique dans les paires de quarks top, pour améliorer la sensibilité à la structure de spin unique du système top-antitop près du seuil. En utilisant 140 femtobarns inverses des données du Run 2, la collaboration a mesuré la section efficace des états de toponium quasi-liés à 9,3 picobarns, soit environ 45 % de plus que la prédiction de base de la QCD perturbative de 6,43 picobarns. L’hypothèse du seul Modèle standard (sans toponium) a été exclue à 8,2 sigma observé, avec 6,0 sigma attendu.
Ce résultat avait été annoncé un an plus tôt par la collaboration CMS. En mars 2025, CMS avait dévoilé un premier indice d’un signal au-dessus de 5 sigma lors de la conférence Rencontres de Moriond dans les Alpes italiennes. Au cours des mois suivants, les deux expériences ont recoupé la découverte. En juillet 2025, ATLAS avait indépendamment confirmé l’excès à 7,7 sigma, et les deux collaborations ont présenté des résultats conjoints à la conférence EPS-HEP à Marseille.
« L’observation d’un effet de QCD non relativiste que l’on pensait trop difficile à détecter est un grand triomphe pour le programme expérimental du LHC », a déclaré Gautier Hamel de Monchenault, porte-parole de CMS à l’époque, dans un communiqué de 2025.
L’excès prend la forme d’un état quasi-lié d’onde S de singulet de couleur et de spin, une configuration compatible avec la particule de toponium pseudoscalaire que les théoriciens prédisent depuis longtemps sans jamais l’avoir détectée. La mesure de la section efficace d’ATLAS de 9,3 picobarns correspond bien à la mesure antérieure de CMS de 8,8 picobarns, ne différant que dans leurs incertitudes respectives.
« C’est une découverte très excitante qui repousse notre compréhension actuelle de la physique du quark top et de sa modélisation à l’extrême », a déclaré Afik.
Une question centrale subsiste : le signal peut-il être entièrement expliqué par les effets de la NRQCD du Modèle standard, ou une contribution exotique, comme un boson de type Higgs supplémentaire près de 345 GeV se désintégrant en quarks top, est-elle également en jeu ? John Ellis, physicien théoricien au King’s College de Londres et au CERN, a noté lors de la première apparition du résultat de CMS en 2025 que « le signal rapporté par CMS, s’il est confirmé, pourrait être dû soit à un méson top-antitop quasi-lié, communément appelé « toponium », soit éventuellement à un boson élémentaire de spin zéro tel qu’il apparaît dans les modèles avec bosons de Higgs supplémentaires, ou même à une combinaison des deux. »
Le Run 3 en cours du LHC, qui a déjà collecté plus du double de la luminosité intégrée de l’ensemble de données du Run 2 utilisé dans cette analyse, devrait fournir les statistiques nécessaires pour discriminer entre ces possibilités.
Baptiste Ravina, chercheur principal au CERN, a déclaré : « Avec le nouvel ensemble de données du Run 3, qui est plus de deux fois plus grand que celui du Run 2 utilisé dans cette première analyse, nous pourrons examiner cet excès beaucoup plus en détail et déterminer s’il peut être décrit uniquement par des effets de QCD non relativiste, ou s’il y a autre chose. »
Que ce soit le toponium ou un imposteur, ce résultat marque la première fois qu’un effet de seuil subtil, longtemps considéré comme hors de portée de la physique des collisionneurs hadroniques, a été mis en évidence. Trouver le toponium un demi-siècle après la découverte du quark charm, l’événement qui a donné naissance à la physique moderne des saveurs lourdes, serait, comme l’a dit Ellis lorsque les premiers indices sont apparus, un « cadeau d’anniversaire en or inattendu et bienvenu » pour la physique des particules.
Source
The ATLAS Collaboration. « Observation of a cross-section enhancement near the ttbar production threshold in sqrt(s)=13 TeV pp collisions with the ATLAS detector. » Reports on Progress in Physics, Volume 89, Number 5. DOI: 10.1088/1361-6633/ae60a0. Published 7 May 2026.
Traduit par Lydie