Figura 1:Visualización de eventos de un evento candidato de cuatro quarks superiores, donde dos de los quarks superiores se desintegran leptónicamente (uno con un muón resultante (rojo) y otro con un electrón (verde)), y dos quarks superiores decaen hadrónicamente (rectángulos verde y amarillo). Los chorros (chorros con etiqueta b) se muestran como conos amarillos (azules). Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
La colaboración ATLAS en el CERN ha anunciado una fuerte evidencia de la producción de cuatro quarks top. Se espera que este raro proceso de Modelo Estándar ocurra solo una vez por cada 70 mil pares de quarks superiores creados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y ha demostrado ser extremadamente difícil de medir.
El quark top es la partícula elemental más masiva del modelo estándar, marcando 173 GeV, que es equivalente a la masa de un átomo de oro. Pero al contrario del oro, cuya masa se debe principalmente a la fuerza de unión nuclear, el quark top obtiene toda su masa de la interacción con el campo de Higgs. Entonces, cuando se producen cuatro quarks top en un solo evento, crean el estado final de partículas más pesado jamás visto en el LHC, con casi 700 GeV en total. Este es un entorno ideal para buscar nueva física con partículas aún desconocidas que contribuyen al proceso. ¿Deberían existir? los físicos verán una producción adicional de cuatro quarks superiores por encima de lo que predice el modelo estándar, motivando aún más un estudio detallado del proceso.
En su nueva búsqueda de la producción de cuatro quarks superiores, Los físicos de ATLAS estudiaron el conjunto de datos completo del Run 2 registrado entre 2015 y 2018. Cuando se produce a través de colisiones protón-protón en el LHC, este proceso deja firmas espectaculares en el detector ATLAS. Los cuatro quarks superiores producen cuatro bosones W y cuatro chorros (chorros de partículas colimados) que se originan en los quarks inferiores. Los bosones W entonces, Sucesivamente, cada desintegración en dos chorros o un leptón cargado (electrón, leptones muon o tau) y un neutrino invisible. Como paso final, los leptones tau se descomponen en un leptón más ligero o en un jet, con neutrinos adicionales.
Para este resultado, Los físicos optaron por centrarse en los eventos de colisión que producen dos leptones con la misma carga o tres leptones. A pesar de representar solo el 12% de todas las desintegraciones de cuatro quarks superiores, estas firmas son más fáciles de distinguir de los procesos en segundo plano en el detector ATLAS. No obstante, la detección de una señal requería una comprensión detallada de los procesos de fondo restantes y el uso de técnicas de separación sofisticadas.
Figura 2:Salida de puntuación del árbol de decisión reforzado (BDT) para la región de señal (SR). Los datos se muestran en negro; la señal simulada en rojo. El eje y muestra el número de eventos y está en escala logarítmica. La banda incluye la incertidumbre total en el cálculo del ajuste de probabilidad de perfil posterior (ajuste posterior). La relación entre los datos y el cálculo total posterior al ajuste se muestra en el panel inferior. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Los físicos de ATLAS entrenaron a un discriminante multivariado (árbol de decisión reforzado) utilizando las características distintivas de la señal, incluyendo la gran cantidad de chorros, su origen de sabor a quark (quark de fondo o no), y las energías y distribuciones angulares de las partículas medidas. Los principales procesos de fondo que se asemejan a la señal provienen de la producción de un par de quarks top en asociación con otras partículas, como un bosón W o Z, un bosón de Higgs, u otro quark top. Algunos de estos procesos han sido observados recientemente por las colaboraciones ATLAS y CMS.
Cada proceso de fondo fue evaluado individualmente, principalmente a través de simulaciones específicas que incluían información de las mejores predicciones teóricas disponibles. Los procesos de fondo más difíciles (la producción de pares de quarks superiores con un bosón W y fondos con leptones falsos) tuvieron que determinarse utilizando datos de regiones de control dedicadas. Los leptones falsos surgen cuando la carga de un leptón se identifica erróneamente, o cuando los leptones provienen de un proceso diferente, pero se atribuyen a la señal. Ambos debían entenderse bien y evaluarse con precisión para reducir la incertidumbre sistemática sobre el resultado final.
ATLAS midió la sección transversal para la producción de cuatro quarks superiores en 24 +7 –6 pensión completa, que es consistente con la predicción del Modelo Estándar (12 fb) a 1.7 desviaciones estándar. La significación de la señal asciende a 4,3 desviaciones estándar, para una significación esperada de 2,4 desviaciones estándar, la señal de cuatro quarks superiores era igual a la predicción del modelo estándar. La medición proporciona una fuerte evidencia de este proceso.
Los datos adicionales de la próxima ejecución del LHC, junto con los desarrollos adicionales de las técnicas de análisis empleadas, mejorarán la precisión de esta medición desafiante.
