Measurements of $t\bar{t}$ in association with charm quarks at 13 TeV with the ATLAS experiment

Utilizando el conjunto de datos completo del Run 2 a 13 TeV, la Colaboración ATLAS realizó su primera medición de la sección eficaz inclusiva para la producción de pares de quarks top en asociación con quarks charm, encontrando que, si bien los resultados concuerdan ampliamente con diversas predicciones de simulación, todos los modelos subestiman los valores observados.

Lo esencial

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como el colisionador de partículas más potente del mundo. Cuando los científicos chocan protones entre sí casi a la velocidad de la luz, crean una explosión caótica de nuevas partículas, muy parecido a estrellar dos relojes entre sí y observar cómo vuelan los engranajes, los resortes y el cristal por todas partes.

La mayor parte del tiempo, los físicos buscan las "gemas raras" en estos escombros: partículas exóticas que podrían revelar nuevas leyes de la física. Sin embargo, hay un ruido de fondo muy común y desordenado que dificulta el hallazgo de estas gemas: los pares de quarks top.

El Problema: El Atasco de Tráfico de los "Quarks Top"

Los quarks top son las partículas elementales más pesadas conocidas. Cuando se producen en pares (llamados $t\bar{t}$), casi siempre se desintegran en otras partículas. A veces, este proceso crea accidentalmente partículas pesadas adicionales llamadas quarks charm o quarks bottom.

Piensa en un evento de par de quarks top como una autopista concurrida. Normalmente, esperas ver solo los coches principales (los quarks top). Pero a veces, la autopista se congestiona con camiones de reparto adicionales (quarks charm). Estos camiones son una molestia porque se parecen mucho a las "gemas" raras que los científicos intentan encontrar (como el bosón de Higgs). Si no sabes exactamente cuántos camiones hay normalmente en la carretera, no puedes distinguir si un nuevo camión es simplemente tráfico normal o un pedido especial.

La Misión: Contar los Camiones "Charm"

Este artículo describe la primera vez que el equipo del experimento ATLAS ha intentado contar exactamente cuántos quarks charm aparecen junto a los pares de quarks top.

Antes de esto, los científicos tenían buenos mapas (predicciones teóricas) de la frecuencia con la que aparecen los quarks top con quarks bottom, pero tenían conjeturas muy vagas sobre los quarks charm. Era como intentar navegar por una ciudad con un mapa perfecto para las carreteras principales pero sin mapa para las calles laterales.

El Trabajo de Detective: Las Gafas de "Flavor-Tagging"

Para resolver esto, el equipo necesitó una forma de diferenciar los distintos tipos de "camiones" (chorros de partículas) que salen de la colisión.

• El Desafío: Las herramientas estándar son excelentes para detectar quarks bottom pero pésimas para detectar quarks charm.
• La Solución: El equipo construyó un algoritmo de "flavor-tagging" personalizado. Imagina ponerte unas gafas de alta tecnología que pueden etiquetar instantáneamente cada chorro de partículas como "Ligero", "Charm" o "Bottom" con alta confianza. Esto les permitió clasificar los escombros en pilas específicas:
  1. Eventos con dos o más chorros de charm.
  2. Eventos con exactamente un chorro de charm.

El Experimento: Clasificando los Escombros

El equipo analizó una enorme cantidad de datos recolectados entre 2015 y 2018 (140 "femtobarns inversos", que es una forma elegante de decir "una pila enorme de colisiones"). Buscaron patrones específicos donde los quarks top se desintegraban en electrones o muones (primos más ligeros de los electrones) y luego revisaron el resto de los escombros en busca de esas etiquetas de charm.

Configuraron una "sala de control" con diferentes zonas:

• Regiones de Señal: Donde esperaban encontrar los eventos pesados en charm.
• Regiones de Control: Donde sabían que no encontrarían charm, solo para asegurarse de que sus estimaciones de ruido de fondo fueran correctas.

Los Resultados: El Mapa Estaba Cerca, Pero Erró

Después de procesar los números, el equipo descubrió:

1. Encontraron el charm: Lograron medir la tasa de aparición de pares de quarks top con quarks charm por primera vez.
2. Las predicciones eran cercanas, pero bajas: Los modelos teóricos (los "mapas") predecían con qué frecuencia ocurre esto, y estaban en el orden de magnitud correcto. Sin embargo, cada uno de los modelos predijo menos eventos de los que realmente se observaron.
   • Piensa en un pronóstico del tiempo que dice "hay un 20% de probabilidad de lluvia", pero en realidad llueve el 30% de las veces. El pronóstico no está equivocado sobre que llueve, sino que subestima cuánto llueve.

La "sección eficaz" medida (una medida de la probabilidad de que ocurra el evento) fue:

• Top + 2 Charm: 1.28 picobarns.
• Top + 1 Charm: 6.4 picobarns.

Por Qué Esto Importa

Esto no es solo cuestión de contar partículas; se trata de limpiar el ruido. Debido a que estos eventos de quarks top "pesados en charm" son una fuente importante de ruido de fondo para otros descubrimientos raros, tener un recuento preciso ayuda a los físicos a filtrar las señales falsas.

El artículo concluye que, si bien nuestras simulaciones informáticas actuales están haciendo un trabajo decente, subestiman constantemente la cantidad de quarks charm producidos. Esto les dice a los teóricos: "Sus mapas necesitan ser actualizados; hay más camiones de tipo charm en la autopista de lo que pensaban".

En resumen: El equipo de ATLAS utilizó un software personalizado para contar con qué frecuencia aparecen partículas pesadas de tipo "charm" junto con los quarks top. Descubrieron que las teorías actuales son ligeramente demasiado pesimistas, prediciendo menos eventos de los que la realidad realmente muestra. Estos nuevos datos ayudarán a refinar los modelos utilizados para buscar una física aún más rara en el futuro.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Mediciones de $t\bar{t}$ en asociación con quarks charm a 13 TeV con el experimento ATLAS

Problema y Motivación
La producción de pares de quarks top ($t\bar{t}$) acompañada de jets adicionales de sabor pesado constituye un fondo irreducible significativo para numerosos procesos raros del Modelo Estándar (SM), tales como la producción de $t\bar{t}H$ con decaimientos $H \to b\bar{b}$ y la producción de cuatro quarks top. Aunque existen cálculos teóricos para la producción de $t\bar{t} + b\bar{b}$ con precisión de orden siguiente al líder (NLO) en cromodinámica cuántica (QCD), las incertidumbres relativas a las escalas de renormalización y factorización siguen siendo sustanciales. Crucialmente, actualmente no se dispone de cálculos dedicados a NLO para la producción de $t\bar{t} + c\bar{c}$. Esta brecha teórica requiere mediciones experimentales para refinar la comprensión de estos estados finales, donde los jets de sabor pesado adicionales surgen del desdoblamiento de gluones en pares $b\bar{b}$ o $c\bar{c}$, o de la radiación del estado inicial.

Metodología
Este análisis utiliza el conjunto completo de datos de colisiones protón-protón del Run 2 recolectados por el experimento ATLAS a $\sqrt{s} = 13$ TeV entre 2015 y 2018, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$. La medición se centra en eventos $t\bar{t}$ que contienen uno o dos leptones cargados ($e$ o $\mu$) y al menos un jet adicional.

• Simulación y Modelado: Los procesos de señal y fondo se modelan mediante simulaciones de Monte Carlo (MC). Los procesos inclusivos $t\bar{t} + \ge 1c$ y $t\bar{t} + \text{light}$ se simulan utilizando el esquema de cinco sabores (5FS) con POWHEG BOX 2 interconectado con PYTHIA 8 para la cascada de partones (parton showering) y hadronización. Los procesos $t\bar{t} + b\bar{b}$ utilizan un enfoque de elemento de matriz de cuatro sabores (4FS). Los eventos se categorizan en el nivel de partícula estable en cuatro grupos distintos: $t\bar{t} + \ge 2c$, $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + \ge 2b$ y $t\bar{t} + \text{light}$.
• Etiquetado de Sabor (Flavour-Tagging): Se desarrolló un algoritmo personalizado de "b/c-tagger" para identificar simultáneamente jets $b$ y jets $c$, dado que los algoritmos estándar de ATLAS carecen de puntos de trabajo dedicados para el etiquetado de $c$. El algoritmo genera un discriminante bidimensional que define cinco bins: dos para jets $c$ (con eficiencias del 11% y 22%), dos para jets $b$ (con eficiencias del 60% y 70%) y uno para jets no etiquetados.
• Selección de Eventos y Ajuste: El análisis emplea disparadores (triggers) de electrón único y muón único para seleccionar eventos con uno o dos leptones. El canal de un solo leptón requiere $\ge 5$ jets, mientras que el canal de dileptones requiere $\ge 3$ jets (con al menos tres pasando criterios de etiquetado específicos). Se utilizan 19 regiones de control (CR) ortogonales (definidas por los bins del b/c-tagger) y regiones de señal (SR) para extraer las fuerzas de la señal mediante un ajuste de verosimilitud de perfil (profile likelihood fit). Las incertidumbres sistemáticas, incluyendo las relacionadas con el modelado, el algoritmo de etiquetado de sabor y los efectos del detector, se tratan como parámetros de perturbación (nuisance parameters).

Contribuciones Clave
Este trabajo presenta la primera medición de la sección eficaz inclusiva de la producción de $t\bar{t}$ en asociación con quarks charm por parte de la Colaboración ATLAS. La contribución principal es la extracción simultánea de secciones eficaces fiduciales separadas para:

1. $t\bar{t} + \ge 2c$ (eventos con al menos dos jets $c$, dirigidos principalmente a $t\bar{t} + c\bar{c}$).
2. $t\bar{t} + 1c$ (eventos con exactamente un jet $c$ adicional, originados de $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + c\bar{c}$ con un jet fuera de la aceptación, o $t\bar{t} + c\bar{c}$ donde los jets están agrupados/clustered).

Resultados
El análisis demuestra un buen acuerdo entre los datos y la simulación, con una compatibilidad de ajuste del 98%. Las secciones eficaces fiduciales medidas son:

• $\sigma_{\text{fid}}(t\bar{t} + \ge 2c) = 1.28^{+0.27}_{-0.24}$ pb
• $\sigma_{\text{fid}}(t\bar{t} + 1c) = 6.4^{+1.0}_{-0.9}$ pb

Las fuentes dominantes de incertidumbre son el modelado de los procesos $t\bar{t} + \ge 1c$, $t\bar{t} + \ge 1b$ y $t\bar{t} + \text{light}$ (específicamente el emparejamiento NLO y la cascada de partones), las incertidumbres en el rendimiento del b/c-tagger y la estadística de los datos.

Al compararse con varias predicciones NLO+PS de simulaciones inclusivas de $t\bar{t} + \text{jets}$ y $t\bar{t} + b\bar{b}$:

• Todas las predicciones teóricas subestiman los valores observados.
• Las predicciones de POWHEG BOX 2 + PYTHIA 8 concuerdan con la medición dentro de 1.1 desviaciones estándar al considerar las variaciones de escala y PDF.
• Las predicciones de POWHEG BOX 2 + HERWIG 7 y MADGRAPH5_AMC@NLO + HERWIG 7 muestran concordancia dentro de 1.2 a 2.0 desviaciones estándar.

Además, se midieron las razones de las secciones eficaces de $t\bar{t} + \ge 2c$ y $t\bar{t} + 1c$ respecto a la sección eficaz total de $t\bar{t} + \text{jets}$ tanto en volúmenes fiduciales como inclusivos, encontrando consistencia con las simulaciones NLO+PS en un nivel similar a las mediciones de la sección eficaz absoluta.

Significado
El artículo reclama su significancia principalmente mediante la provisión de las primeras restricciones experimentales sobre las secciones eficaces de producción de $t\bar{t} + \text{charm}$. Estas mediciones abordan una brecha en los cálculos teóricos (específicamente la falta de cálculos dedicados para $t\bar{t} + c\bar{c}$) y mejoran la comprensión de los fondos de jets de sabor pesado. Si bien los resultados son mayoritariamente consistentes con los modelos de simulación existentes, la observación de que todos los modelos subestiman los datos resalta áreas para un posible refinamiento en el modelado de QCD, particularmente en lo que respecta al desdoblamiento de gluones en pares $c\bar{c}$. La precisión de la medición está actualmente limitada por las incertidumbres de modelado y el poder estadístico del conjunto de datos.