Search for flavour-changing neutral current couplings between the top quark and the Higgs boson in multilepton final states with the ATLAS detector

Utilizando 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV del detector ATLAS, este estudio busca interacciones de corriente neutra con cambio de sabor entre el quark top y el bosón de Higgs en estados finales de leptones múltiples, estableciendo límites superiores observados en las razones de ramificación de $\mathcal{B}(t\to Hu)$ y $\mathcal{B}(t\to Hc)$ en $2.8 \times 10^{-4}$ y $3.3 \times 10^{-4}$, respectivamente.

Lo esencial

Imagina el universo como una enorme pista de baile de alta velocidad donde las partículas son los bailarines. En este baile, existen reglas estrictas sobre quién puede ser pareja de quién. El "Modelo Estándar" es el libro de reglas que los físicos han escrito. Según este libro de reglas, un bailarín específico llamado quark top (el bailarín más pesado y energético) solo tiene permitido emparejarse con otros bailarines de formas muy específicas.

Una de las reglas más estrictas es que el quark top nunca debería cambiar de pareja con un "bosón de Higgs" (la partícula que otorga masa a otras) para luego cambiar inmediatamente a un quark "charm" o "up". Este movimiento prohibido se llama Corriente Neutra con Cambio de Sabor (FCNC). En el libro de reglas estándar, este movimiento es tan raro que es prácticamente imposible; es como esperar que un bailarín teletransporte a través de la habitación en lugar de caminar.

Sin embargo, algunos físicos sospechan que podría haber un "libro de reglas secreto" (Nueva Física) que permita que este movimiento de baile prohibido ocurra con más frecuencia de lo que pensamos.

La Investigación: Una búsqueda de alto riesgo

El artículo que has proporcionado describe una investigación masiva por parte de la colaboración ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Piensa en el LHC como un gigante colisionador de protones que los hace chocar entre sí casi a la velocidad de la luz, creando una explosión caótica de partículas. El detector ATLAS es como una cámara gigante de ultra alta velocidad que intenta capturar cada uno de los movimientos en esa explosión.

El equipo analizó 140 billones (140 fb⁻¹) de estas colisiones de 2015 a 2018. Buscaban específicamente dos tipos de "rutinas de baile" donde el quark top podría estar rompiendo las reglas:

1. La rutina de "Desintegración": Se crea un par de quarks top, y uno de ellos rompe espontáneamente las reglas para convertirse en un bosón de Higgs y un quark más ligero.
2. La rutina de "Producción": Un quark top y un bosón de Higgs se crean juntos, pero están vinculados por una conexión prohibida con un quark "up" o "charm".

Las Pistas: Encontrar la aguja en el pajar

El problema es que estos eventos de ruptura de reglas son increíblemente raros, y el "pajar" (las colisiones normales de partículas) es enorme. Para encontrar la "aguja", los científicos tuvieron que buscar patrones específicos, o "huellas dactilares", en los restos.

• La Firma: Buscaron eventos donde los restos incluyeran leptones (partículas como electrones y muones) que tuvieran la misma carga eléctrica. En un baile normal, las cargas suelen equilibrarse. Encontrar dos leptones positivos o dos negativos juntos es una fuerte pista de que algo inusual sucedió.
• El Filtro: Utilizaron algoritmos informáticos (como un portero muy inteligente) para filtrar los millones de eventos aburridos y normales. Se centraron en eventos con niveles de energía específicos y tipos específicos de chorros (sprays de partículas) para asegurarse de que estaban mirando el tipo de pista de baile correcto.
• Los Bailarines "Falsos": Un desafío importante fue distinguir los verdaderos infractores de las reglas de los "impostores". A veces, las partículas normales se desintegran de una manera que parece un infractor de las reglas, o un error del detector hace que una partícula parezca tener la carga incorrecta. El equipo utilizó métodos estadísticos para estimar cuántos de estos eventos "falsos" se escondían en sus datos y los restó.

El Veredicto: No se encontraron infractores de las reglas

Después de realizar su complejo análisis, que implicó entrenar inteligencia artificial (redes neuronales) para detectar las sutiles diferencias entre un baile normal y uno prohibido, los resultados fueron claros:

No encontraron evidencia de la danza prohibida.

El número de eventos sospechosos que vieron era exactamente lo que esperaban ver si las reglas del Modelo Estándar se siguieran perfectamente. No hubo infractores de las reglas adicionales escondidos en los datos.

La Conclusión: Estrechando las reglas

Debido a que no encontraron el movimiento prohibido, no se limitaron a decir "no lo encontramos". Calcularon exactamente qué tan raro debe ser.

• Establecieron un nuevo y más estricto límite: Si el quark top sí rompe las reglas para convertirse en un Higgs y un quark "up", sucede menos de 2.8 veces de cada 10,000.
• Si se convierte en un Higgs y un quark "charm", sucede menos de 3.3 veces de cada 10,000.

Estos números son las restricciones más estrictas (las reglas más rigurosas) que jamás hayamos establecido. Aunque no descubrieron "Nueva Física" en esta búsqueda específica, cerraron con éxito la puerta a muchas teorías que predecían que este movimiento ocurriría con más frecuencia. Es como un detective buscando a un criminal específico en una ciudad; aunque no atraparon al criminal, demostraron que el criminal no se esconde en los lugares donde buscaron, obligando al criminal (o a la teoría) a ser aún más elusivo de lo que se pensaba.

En resumen: el quark top sigue siguiendo las reglas, y el universo sigue jugando según el libro del Modelo Estándar —al menos en lo que respecta a este movimiento de baile específico.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsqueda de acoplamientos de corrientes neutras con cambio de sabor entre el quark top y el bosón de Higgs

Planteamiento del problema
Las interacciones de corriente neutra con cambio de sabor (FCNC, por sus siglas en inglés) que involucran al quark top y al bosón de Higgs ($t \to Hq$, donde $q=u$ o $c$) están prohibidas a nivel de árbol en el Modelo Estándar (SM) y están fuertemente suprimidas por el mecanismo de Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM), con razones de ramificación predichas de aproximadamente $10^{-15}$. Sin embargo, varias teorías más allá del Modelo Estándar (BSM), como los modelos de dos dobletes de Higgs, predicen tasas significativamente aumentadas de hasta $10^{-3}$. En consecuencia, la observación de estas interacciones raras proporcionaría evidencia directa de nueva física. Este trabajo aborda la búsqueda de tales acoplamientos utilizando datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Metodología
El análisis utiliza 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón registrados por el detector ATLAS a una energía de centro de masa de 13 TeV durante la Fase 2 del LHC (2015–2018). La búsqueda se centra en dos mecanismos de producción específicos:

1. Canal de desintegración ('Dec'): Producción de pares top-antitop ($t\bar{t}$) donde un quark top se desintegra mediante el proceso FCNC $t \to Hq$.
2. Canal de producción ('Prod'): Producción asociada de un quark top y un bosón de Higgs ($tH$), dominada por el proceso $qg \to tH$.

Selección y reconstrucción de eventos
El análisis se centra en estados finales multileptónicos para mejorar la pureza de la señal:

• 2 leptones de la misma carga (2$\ell$SS): Eventos con dos leptones ($e, \mu$) de la misma carga.
• 3 leptones (3$\ell$): Eventos con tres leptones, requiriendo que exactamente dos tengan la misma carga.

Los criterios de selección requieren al menos un leptón con un momento transversal ($p_T$) $> 28$ GeV y leptones adicionales con $p_T > 10$ GeV. Los eventos deben contener al menos un jet, con al menos un jet con etiqueta $b$ (b-tagged).

Estimación del fondo
Una parte significativa del fondo proviene de leptones no promتos (originados principalmente por desintegraciones de hadrones $B$ en la producción de $t\bar{t}$). Estos se estiman mediante un Método de Ajuste de Plantillas (Template Fit Method), donde los factores de normalización se determinan mediante ajustes simultáneos de máxima verosimilitud tanto en los estados finales de 2 leptones como en los de 3 leptones. Se definen regiones de control para validar este método.

• Fondos de leptones promteros: Procesos como $t\bar{t}W$ y $t\bar{t}Z$ se modelan con normalizaciones de flotación libre restringidas por regiones de control dedicadas.
• Identificación errónea de carga: En el canal 2$\ell$SS, los fondos de electrones promteros con identificación de carga errónea se modelan mediante un enfoque basado en datos que involucra regiones de la masa del bosón $Z$.
• Otros fondos: Las contribuciones menores se agrupan en una categoría de "Otros".

Discriminación de la señal
Para separar la señal del fondo, se emplean dos algoritmos de reconstrucción personalizados: Reconstrucción de Jigsaw Recursiva y el Estimador de Combinatoria Independiente de Neutrinos. Las variables derivadas de estos algoritmos se combinan en un discriminante único utilizando Redes Neuronales Profundas (DNN). La distribución de la salida de la DNN sirve como entrada para un ajuste de verosimilitud de perfil (profile-likelihood fit) para extraer la normalización de la señal.

Resultados clave
El análisis no encontró un exceso significativo de eventos sobre la predicción del fondo del SM. La mejor normalización de la señal para las señales $tHu$y$tHc$ fue compatible con cero, sin discrepancias más allá de $1\sigma$ para cualquier parámetro de molestia (nuisance parameter).

Los límites de exclusión superiores al 95% de nivel de confianza (CL) se calcularon utilizando el método $CL_s$:

• Razones de ramificación:
  • $B(t \to Hu) < 2.8 \times 10^{-4}$ (Esperado: $3.0 \times 10^{-4}$)
  • $B(t \to Hc) < 3.3 \times 10^{-4}$ (Esperado: $3.8 \times 10^{-4}$)
• Coeficientes de Wilson: También se establecieron límites en el valor absoluto del coeficiente de Wilson $|C_{u\phi}^{qt,tq}|$ para operadores de teoría de campo efectivo (EFT) de dimensión-6:
  • $tHu$:$0.71$ (Esperado: $0.73$)
  • $tHc$:$0.76$ (Esperado: $0.82$)

Significancia y combinación
Estos resultados representan las restricciones más fuertes hasta la fecha sobre los acoplamientos FCNC entre el quark top y el bosón de Higgs en el canal multileptónico. El artículo señala que estos límites mejoran aún más cuando se combinan con otras búsquedas de ATLAS que involucran desintegraciones de Higgs en $\tau\tau$, $b\bar{b}$ y $\gamma\gamma$. El análisis combinado arroja:

• $B(t \to Hu) < 2.6 \times 10^{-4}$
• $B(t \to Hc) < 3.4 \times 10^{-4}$

Este trabajo establece nuevos puntos de referencia para estudios futuros de interacciones FCNC, confirmando la ausencia de tales señales dentro de la sensibilidad actual del detector ATLAS.