Cuando se trata de quarks, los de la tercera generación (superior e inferior) son sin duda los más fascinantes e intrigantes. Metafóricamente, clasificaríamos su vida social como bastante apartada, ya que no se mezclan mucho con sus parientes de la primera y segunda generación. Sin embargo, como los verdaderos aristócratas del mundo de la física de partículas, disfrutan de interacciones privilegiadas e intensas con el campo de Higgs; es la intensidad de esta interacción la que finalmente determina cosas como la estabilidad cuántica de nuestro universo. Su vida social también puede tener un lado oscuro, ya que podrían estar involucrados en interacciones con la materia oscura.

Este estatus especial de los quarks de tercera generación los convierte en actores clave en la búsqueda de fenómenos no previstos por el Modelo Estándar. Un nuevo resultado publicado por ATLAS Collaboration en el CERN se centra en modelos de nuevos fenómenos que predicen un rendimiento mejorado de eventos de colisión con quarks inferiores y partículas invisibles. Una segunda búsqueda nueva de ATLAS considera la posible presencia de leptones tau agregados. Juntos, Estos resultados imponen fuertes limitaciones a la producción de socios de los quarks b y de posibles partículas de materia oscura.

Buscando el fondo supersimétrico ...

El socio supersimétrico del quark bottom (el fondo escalar) es una de las nuevas partículas más buscadas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Durante la primera ejecución del LHC (2010-2013), Los físicos pudieron establecer fuertes restricciones sobre la masa del fondo escalar en sus modos de descomposición más naturales. Esas limitaciones solo se han vuelto más fuertes a medida que los científicos han estudiado los datos de la Ejecución 2 (2015-2018). Los resultados más recientes de ATLAS Collaboration llevan la búsqueda un paso más allá:no solo los físicos han examinado el conjunto completo de colisiones de Run 2, han empleado nuevas técnicas para apuntar a modos de decaimiento de fondo escalar menos comunes y jerarquías de masas más difíciles.

El primer resultado nuevo de ATLAS se centra en las desintegraciones del fondo escalar que no se investigan a menudo, a saber, su descomposición en b-quarks, Bosones de Higgs y partículas candidatas a materia oscura. Complementando un estudio ATLAS anterior (ver figura), el nuevo resultado busca un par de leptones tau producidos en la desintegración del bosón de Higgs. Identificar, o mejor dicho, Identificación errónea:estos leptones tau fue uno de los aspectos más desafiantes de este estudio. Para superar esto, Los físicos de ATLAS desarrollaron una técnica de estimación de fondo dedicada, basado en la definición de un conjunto de muestras de control cuidadosamente diseñado. Esto les dio una estimación precisa del difícil componente de fondo que surge de las identificaciones erróneas de los leptones tau.

En un segundo estudio nuevo de quarks de fondo escalar, Los investigadores de ATLAS centraron su atención en la desintegración de un fondo escalar producido por pares en un quark b y una partícula de materia oscura candidata. resultando en dos chorros b y falta de momento transversal en el estado final. Prestaron especial atención a los "escenarios comprimidos, " es decir, donde la masa del fondo escalar y la del candidato a materia oscura son similares. En esos casos, los b-quarks emitidos en la desintegración del fondo escalar tienen un impulso muy bajo, haciéndolos difíciles de identificar.

Por primera vez en ATLAS, Los físicos implementaron técnicas de aprendizaje automático y algoritmos de reconstrucción dedicados destinados a reconstruir la desintegración del hadrón inferior desplazada independientemente de la presencia de un chorro. Junto con la mayor luminosidad integrada del LHC, estas técnicas han ayudado a llevar la sensibilidad del Experimento ATLAS a niveles sin precedentes.

... y sus amigos

Una de las cosas que hace que estos estados finales sean tan interesantes es que también son comunes a otros fenómenos nuevos, como los leptoquarks. Estas son partículas hipotéticas cuya desintegración violaría la conservación del número de leptones y bariones, lo que podría explicar el desequilibrio materia-antimateria observado de nuestro universo. Una familia específica de leptoquarks puede descomponerse al menos parcialmente en un quark b y un neutrino, produciendo una vez más un estado final con dos chorros b y falta de momento transversal. Modelos más genéricos de materia oscura, donde los chorros b se producen en asociación con las partículas candidatas de materia oscura, también produciría el mismo estado final. El nuevo resultado de ATLAS también establece límites competitivos en estos escenarios, una contribución significativa a la búsqueda de materia oscura o leptoquarks.

En conclusión

La investigación del sector de quarks de tercera generación —tanto en términos de mediciones de precisión como en términos de búsqueda de nuevos fenómenos asociados a él— debe adscribirse a la larga lista de triunfos del LHC. Este conocimiento hasta ahora indica que la tercera generación se comporta como lo predice el Modelo Estándar. Solo un mayor escrutinio e investigación revelará nuevas respuestas a las grandes preguntas planteadas por la tercera generación.