Recent measurements of top cross sections at CMS

Este artículo presenta mediciones recientes de CMS de las secciones eficaces inclusivas y diferenciales para la producción de pares de quarks top y de un solo quark top en colisiones protón-protón a 5.02 TeV y 13.6 TeV, todas las cuales son consistentes con las predicciones del Modelo Estándar.

Lo esencial

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como la pista de carreras cósmica más poderosa del mundo, esencialmente una gigantesca pista de carreras donde los científicos chocan protones entre sí casi a la velocidad de la luz. ¿El objetivo? Recrear las condiciones del universo temprano y descubrir cómo se comportan los componentes fundamentales de la naturaleza.

Este documento es una boleta de calificaciones del experimento CMS, uno de los gigantescos detectores situados en esa pista de carreras. Los investigadores se centran en el quark cima (top quark), que es el "campeón de peso pesado" del mundo de las partículas. Es la partícula fundamental más pesada conocida y, debido a que es tan masiva y de vida corta, es como una celebridad que aparece por un segundo y luego desaparece. Estudiarlo ayuda a los científicos a comprobar si su libro de reglas actual (el Modelo Estándar) es correcto o si hay capítulos ocultos que aún no han escrito.

El documento cubre dos "carreras" o experimentos específicos que el equipo de CMS realizó:

Carrera 1: El par de quarks cima a una velocidad menor (5.02 TeV)

La Configuración:
En 2017, el equipo operó el colisionador a un nivel de energía más bajo (5.02 TeV). Piensa en esto como una carrera de práctica en una pista más tranquila con menos coches (menos "pileup" o acumulación de colisiones de otros choques). Recopilaron datos equivalentes a 302 "petabytes" de eventos de colisión (aunque la unidad aquí es el picobarn inverso, una medida de cuántas colisiones vieron).

La Estrategia:
Cuando dos protones chocan, a veces crean un par de quarks cima (un quark cima y un antiquark cima). Estos decaen casi instantáneamente en otras partículas, incluyendo electrones o muones (primos pesados de los electrones) y jets (chorros de partículas).

• El Filtro: Los científicos actuaron como porteros en un club. Solo dejaron pasar eventos que tuvieran exactamente un electrón o un muón y al menos tres jets.
• La Clasificación: Clasificaron estos eventos en ocho "contenedores" (bins) diferentes basados en cuántos jets y cuántos "b-jets" (jets que contienen quarks fondo o bottom, una firma de los quarks cima) encontraron.
• El Trabajo de Detective: En los contenedores desordenados donde el ruido de fondo (otras colisiones aleatorias de partículas) era alto, utilizaron un algoritmo de Bosque Aleatorio (Random Forest). Puedes pensar en esto como un equipo de detectives digitales entrenados para detectar las sutiles diferencias entre un evento real de quark cima y uno falso, de forma muy similar a un sistema de seguridad que distingue a un intruso real de una sombra.

El Resultado:
Midieron la "sección eficaz", que es esencialmente la probabilidad o el "tamaño del objetivo" de que este evento ocurra. Encontraron un valor de 62.3 pb.

• El Veredicto: Este número coincide perfectamente con las predicciones del Modelo Estándar. Es como lanzar un dado un millón de veces y obtener el promedio esperado en cada ocasión. Confirma nuestra comprensión actual de la física a este nivel de energía.

Carrera 2: El quark cima con un compañero (tW) a alta velocidad (13.6 TeV)

La Configuración:
En 2022, el equipo operó el colisionador a su energía más alta hasta la fecha (13.6 TeV). Este es el "evento principal" con una cantidad masiva de datos (34.7 femtobarns inversos). Aquí, buscaron un quark cima individual producido junto con un bosón W (una partícula portadora de fuerza).

La Estrategia:
Esto es más difícil de encontrar porque es más raro y el ruido de fondo es más fuerte.

• El Filtro: Buscaron eventos con dos leptones (electrones o muones) de cargas opuestas.
• La Clasificación: Categorizaron los eventos por el número de jets y b-jets, centráéndose en tres grupos específicos: 1 jet con 1 b-jet, 2 jets con 1 b-jet, y 2 jets con 2 b-jets.
• El Trabajo de Detective: Nuevamente, utilizaron dos clasificadores de Bosque Aleatorio separados (detectives digitales) para separar la señal del ruido. Para el grupo de "2 jets, 2 b-jets", observaron la energía del segundo jet de mayor energía para tomar la decisión.

El Resultado:
Midieron la sección eficaz para este proceso, que es de 82.3 pb.

• El Veredicto: Al igual que en la primera carrera, este resultado concuerda bellamente con las predicciones del Modelo Estándar.
• Extra: No solo contaron el total de eventos; también midieron secciones eficaces diferenciales. Imagina que no solo cuentas cuántos coches pasaron por un punto de control, sino que mides su velocidad, el ángulo en el que giraron y qué tan lejos viajaron. Comprobaron seis variables diferentes (como la energía del leptón principal o el ángulo entre partículas), y en cada caso, los datos coincidieron con las predicciones teóricas.

El Panorama General

El documento concluye con un mensaje sencillo: Todo está funcionando como se esperaba.

• El quark cima, el "campeón de peso pesado", se comporta exactamente como dice el Modelo Estándar que debería hacerlo.
• Las mediciones a 5.02 TeV son las más precisas jamás realizadas por el CMS a esa energía.
• Las mediciones a 13.6 TeV son las primeras de su tipo utilizando datos del actual "Run 3" del LHC.

Aún no hay signos de "nueva física" (como dimensiones ocultas o partículas desconocidas) en estas mediciones específicas. El universo, al menos en estas interacciones específicas del quark cima, está jugando según las reglas que ya conocemos.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Mediciones Recientes de las Secciones Eficaces del Cuark Top en CMS

Problema y Motivación
El cuark top, como la partícula fundamental más pesada conocida, sirve como una sonda crítica para pruebas de precisión del Modelo Estándar (SM) y una ventana potencial hacia la física más allá del Modelo Estándar (BSM). Específicamente, la producción de pares de cuarks top ($t\bar{t}$) es esencial para validar las predicciones del SM, mientras que la producción de un solo cuark top asociado con un bosón $W$ ($tW$) es sensible al elemento $V_{tb}$ de la matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) y a posibles efectos BSM. Además, el proceso $tW$ es notable por su interferencia cuántica con la producción de $t\bar{t}$ y su papel como un fondo significativo en otros análisis. Esta contribución aborda la necesidad de mediciones precisas de secciones eficaces en regímenes cinemáticos distintos: un entorno de baja energía y bajo pileup a 5.02 TeV y el régimen de alta energía del Run 3 a 13.6 TeV.

Metodología
El artículo presenta dos análisis distintos realizados por la Colaboración CMS utilizando datos de colisiones protón-protón.

1. Producción de $t\bar{t}$ a 5.02 TeV:

   • Conjunto de datos: 302 pb$^{-1}$ de luminosidad integrada recolectada en 2017.
   • Selección: Los eventos se seleccionan utilizando disparadores (triggers) de leptón único (electrón o muón). El análisis requiere exactamente un leptón ($p_T > 20$ GeV, $|\eta| < 2.4$), al menos tres jets ($p_T > 25$ GeV, $|\eta| < 2.4$) y energía transversal faltante ($> 30$ GeV). Se aplica un veto a los eventos con un segundo leptón de sabor opuesto con $p_T > 10$ GeV.
   • Categorización: Los eventos se categorizan en ocho contenedores (bins) basados en la multiplicidad de jets (3 o $\ge$4 jets) y la multiplicidad de jets con etiqueta $b$ (1 o $\ge$2), divididos además por sabor de leptón.
   • Manejo de fondos: Los fondos incluyen top simple ($t$-channel, $tW$),$W$+jets, Drell-Yan y QCD multijets (estimados mediante métodos basados en datos). En la categoría $3j1b$, donde la contaminación de $W$+jets es significativa, se entrena un clasificador de análisis multivariante (MVA) (bosque aleatorio o random forest) para separar la señal del fondo.
   • Extracción: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud (ML) en todas las categorías. Las incertidumbres sistemáticas se tratan como parámetros de molestia (nuisance parameters). El ajuste utiliza la distribución $\Delta R_{med}(j,j')$ para las categorías de alta pureza ($3j2b, 4j1b, 4j2b$) y la salida del MVA para la categoría $3j1b$.

2. Producción de $tW$ a 13.6 TeV:

   • Conjunto de datos: 34.7 fb$^{-1}$ de luminosidad integrada del Run 3 del LHC (2022).
   • Selección: Los eventos se seleccionan utilizando disparadores de dileptones y de leptón único. La selección requiere al menos un par de leptones de sabor opuesto y carga opuesta ($e^\pm\mu^\mp$) con el leptón líder $p_T > 25$ GeV. Todos los leptones deben satisfacer $p_T > 20$ GeV y $|\eta| < 2.4$, con una masa invariante mínima de pares de leptones $> 20$ GeV.
   • Categorización: Los eventos se clasifican por multiplicidad de jets ($n$) y de jets con etiqueta $b$ ($m$) ($n_j m_b$). Se utilizan tres categorías para la medición inclusiva: $1j1b$ (mayor pureza de señal), $2j1b$ y $2j2b$. Solo la categoría $1j1b$ se utiliza para mediciones diferenciales.
   • Modelado de la señal: La muestra de señal $tW$ emplea el esquema de eliminación de diagramas (DR) para evitar la doble cuenta de diagramas de Feynman compartidos con procesos $t\bar{t}$.
   • Manejo de fondos: Los fondos incluyen $t\bar{t}$, Drell-Yan, dibosones ($VV$),$t\bar{t}V$ y procesos no-$W/Z$. Se entrenan dos clasificadores MVA independientes (bosques aleatorios) para las categorías $1j1b$ y $2j1b$ para discriminar la señal del fondo. Para $2j2b$, se utiliza el $p_T$ del jet secundario como discriminante.
   • Extracción: Se realiza un ajuste de ML para la sección eficaz inclusiva. Las secciones eficaces diferenciales se obtienen mediante el despliegue (unfolding) de los resultados a nivel de detector al nivel de partícula utilizando la técnica TUNFOLD, con un veto sobre jets de baja energía.

Contribuciones Clave y Resultados

• Sección Eficaz de $t\bar{t}$ a 5.02 TeV:
  El análisis arroja una sección eficaz inclusiva de $\sigma(t\bar{t}) = 62.3 \pm 1.5(\text{est}) \pm 2.4(\text{sist}) \pm 1.2(\text{lum})$ pb. Este resultado se deriva de la combinación de la medición del canal de leptón único con una medición previa del canal de dileptones. El valor es consistente con la predicción del Modelo Estándar de $69.5^{+3.5}_{-3.7}$ pb calculada al orden siguiente al siguiente siguiente al orden principal (NNLO) en QCD perturbativa. Las incertidumbres dominantes provienen de la luminosidad integrada y los factores de escala de etiquetado de $b$ (b-tagging).

• Sección Eficaz de $tW$ a 13.6 TeV:
  Este análisis presenta el primer resultado de un solo top del LHC Run 3. La sección eficaz inclusiva se mide en $\sigma(tW) = 82.3 \pm 2.1(\text{est}) +9.9_{-9.7}(\text{sist}) \pm 3.3(\text{lum})$ pb. Esto se alinea con la predicción del SM de $87.9 \pm 3.1$ pb al orden aproximado siguiente al siguiente siguiente al orden principal (NNNLO). Las principales incertidumbres sistemáticas están asociadas con el modelo de energía de los jets, el modelado del $p_T$ del cuark top y las eficiencias de etiquetado de $b$.
  Además, se midieron secciones eficaces diferenciales para seis variables (el $p_T$ del leptón líder, $p_z$ del sistema leptón-jet, $p_T$ del jet, la masa invariante del sistema leptón-jet, la separación azimutal $\Delta\phi$ y la masa transversal). Estas distribuciones diferenciales muestran un buen acuerdo con diversas predicciones teóricas que involucran diferentes generadores de elementos de matriz (POWHEG, MADGRAPH5_aMC@NLO) y modelos de cascada de partones (PYTHIA8, HERWIG7), utilizando tanto esquemas de eliminación de diagramas como de sustracción de diagramas.

Significancia
El artículo afirma que la medición de $t\bar{t}$ a 5.02 TeV representa la medición de sección eficaz de CMS más precisa para este proceso a esa energía de centro de masa específica, aprovechando las condiciones limpias y de bajo pileup del conjunto de datos. La medición de $tW$ es significativa por ser el primer resultado de un solo top del LHC utilizando los datos del Run 3, proporcionando restricciones tanto inclusivas como diferenciales sobre el proceso. Todas las mediciones presentadas son consistentes con las predicciones del Modelo Estándar, reforzando la comprensión teórica actual de los mecanismos de producción de cuarks top.