Figura 1:un evento W + H candidato con una masa invariante de 3,7 TeV que cae en la región de señal combinada de una etiqueta b. El candidato a bosón W está compuesto por el muón señal (línea roja) y la energía transversal faltante (línea blanca punteada). El candidato a bosón de Higgs está compuesto por el chorro de radio grande que coincide con una etiqueta b, que está indicado por el cono cian. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Desde que descubrió el bosón de Higgs en 2012, la Colaboración ATLAS en el CERN ha estado trabajando para comprender sus propiedades. Destaca una pregunta en particular:¿por qué el bosón de Higgs tiene la masa que tiene? Los experimentos han medido que su masa es de alrededor de 125 GeV; sin embargo, el modelo estándar implica que tiene una masa mucho mayor y requiere una gran corrección de las matemáticas para alinear la teoría con la observación. que conduce al "problema de la naturalidad".
Esta discrepancia podría resolverse si existiera un nuevo tipo de interacción, además de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (gravedad, electromagnetismo, fuerte y débil). Esta interacción daría como resultado nuevas partículas portadoras de fuerza (bosones) con masas mucho más grandes que las que se encuentran actualmente en el Modelo Estándar. Entre varias teorías que describen esta interacción se encuentran los modelos del "triplete de vectores pesados" (HVT), lo que sugiere que una nueva partícula, el bosón "W primo" (W '), podría producirse con las energías de colisión accesibles en el LHC. Como su nombre indica, estas nuevas partículas pesadas interactuarían con la fuerza electrodébil y, después de haber sido producido en una colisión, muy rápidamente se descompondría en un bosón W y un bosón de Higgs.
Una nueva búsqueda de la Colaboración ATLAS establece límites en la masa del bosón W ', utilizando el conjunto de datos completo del LHC Run 2 recopilado entre 2015 y 2018. La búsqueda se dirige al estado final "semileptónico", donde el bosón de Higgs se descompone en un par de quarks b, y el bosón W se desintegra en un neutrino y un electrón, muon o tau lepton.
Figura 2:Distribuciones posteriores al ajuste de la masa combinada del bosón W y los candidatos al bosón de Higgs en una región de señal de interés para W '. (Aquí las 2 etiquetas b, región fusionada.) La región de color sólido indica el fondo del modelo estándar, los puntos negros con barras de error indican los datos experimentales, y la línea discontinua indica eventos hipotéticos para un bosón W de 2 TeV. El gráfico inferior muestra la relación de datos con el fondo total del Modelo estándar. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
La amplia gama de masas posibles para el bosón W ', desde 400 GeV hasta 5 TeV, presentó a los físicos de ATLAS algunos desafíos únicos. Si la masa W 'está en el extremo más pesado de las predicciones, produciría bosones de Higgs con energías más altas y los b-quarks resultantes emitirían dos "chorros" (aerosoles colimados de partículas) que están tan juntos como para aparecer como un solo chorro con un gran radio en el detector ATLAS. Masas de W más pequeñas, por otra parte, aparecería como dos chorros distintos. Para tener en cuenta esta gran variedad de funciones, el nuevo análisis ATLAS estudió múltiples canales distintos, cada uno optimizado específicamente para proporcionar la mejor sensibilidad a la nueva partícula.
Como se ve en la Figura 2, Muchos procesos de Modelo Estándar mucho más comunes pueden resultar en la misma firma que la desintegración W ', por lo que es de vital importancia eliminar la mayor cantidad posible de este fondo de modelo estándar. Los físicos de ATLAS emplearon un algoritmo multivariable que utilizó ciertas características cinemáticas de las desintegraciones de b-quark para tratar de distinguir sus chorros de desintegración de otros, sabores más ligeros de hadrones, creando regiones de "una etiqueta b" y "dos etiquetas b". Adicionalmente, mejorando la búsqueda anterior de bosones W 'con un conjunto de datos parcial de la Ejecución 2, Los investigadores utilizaron técnicas novedosas para identificar y medir los chorros en el detector. Los jets "TrackCaloCluster" combinaron información del sistema de seguimiento interno de ATLAS y el calorímetro electromagnético, mientras que los chorros de "radio variable" podrían identificar más eficientemente los bosones de Higgs al permitir que el radio de sus chorros de desintegración cambiara con diferentes cantidades de impulso.
Figura 3:Los límites de exclusión combinados del 95% observados (esperados) en la sección transversal de producción del bosón W 'se muestran mediante la línea negra (azul). Las líneas punteadas de color púrpura y azul indican la sección transversal teórica frente a la masa para una versión de la teoría HVT con un valor específico del acoplamiento al bosón W del modelo estándar. Todas las masas W 'debajo y a la izquierda de cada línea discontinua se excluyen para ese valor del acoplamiento. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Los físicos no encontraron evidencia estadísticamente significativa de una desviación del modelo estándar en su búsqueda. Los resultados se utilizaron para establecer nuevos límites, mostrado en la Figura 3, en la masa de un hipotético bosón W ', excluyendo masas hasta 3,15 TeV, que es un aumento de casi el 12% con respecto a la búsqueda ATLAS anterior de un bosón HVT W 'con un conjunto de datos parcial de la Ejecución 2.
