Probes of flavour symmetry and violation with top quarks in ATLAS and CMS

Lo esencial

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como la máquina de choque de partículas más potente del mundo. En su interior, los protones chocan entre sí casi a la velocidad de la luz, creando una tormenta caótica de partículas subatómicas. Entre estos escombros, el quark top es el "campeón de los pesos pesados": es la partícula fundamental más pesiosa que conocemos y, debido a que es tan masiva, actúa como un reflector único. Si existen reglas ocultas del universo que se están rompiendo, el quark top es el lugar más probable para ver las grietas.

Este documento es una boleta de calificaciones de dos detectores gigantes, ATLAS y CMS, que actúan como cámaras de alta velocidad capturando estas colisiones. Los científicos están analizando datos de 2015 a 2018 (una cantidad masiva de información, como 140 mil billones de colisiones) para ver si el quark top se comporta exactamente como predice el "Modelo Estándar" (nuestro libro de reglas actual para la física), o si está haciendo algo extraño que insinúe una física nueva y no descubierta.

Aquí tienes un desglose de sus cuatro investigaciones principales, utilizando analogías sencillas:

1. La prueba de la "Equidad" (Universalidad de sabor leptónico)

El concepto: El Modelo Estándar dice que el universo trata a los electrones y a los muones (un primo más pesado del electrón) exactamente de la misma manera, como si fueran dos gemelos idénticos con sombreros de diferentes colores. Deben interactuar con las partículas portadoras de fuerza (bosones W y Z) con la misma intensidad.
El experimento: Los científicos observaron la desintegración de los quarks top en estas partículas. Compararon qué tan seguido un quark top producía un electrón frente a un muón.
La analogía: Imagina una máquina expendedora que se supone debe dispensar Coca-Cola y Pepsi con la misma probabilidad. Si presionas el botón 1,000 veces, esperas aproximadamente 500 de cada una.
El resultado: La máquina es perfectamente justa. La relación de electrones a muones se midió en 0.9995, lo cual es increíblemente cercano a 1, confirmando que, hasta ahora, el universo trata a estos dos de forma igualitaria. Esta es la prueba más precisa de esta regla de "equidad" jamás realizada, confirmando que el universo trata a estas dos partículas como iguales.

2. La búsqueda del "Intercambio Prohibido" (Violación de sabor leptónico cargado)

El concepto: En el Modelo Estándar, las partículas generalmente no cambian su "sabor" (identidad) fácilmente. Un electrón no debería convertirse simplemente en un muón. Si lo hiciera, sería un gran infractor de las reglas, lo que sugeriría una nueva física como los "leptoquarks" o la supersimetría.
El experimento: Los equipos buscaron quarks top que se desintegraran en una mezcla de diferentes partículas que no deberían ir juntas, como un electrón y un muón apareciendo juntos a partir de un solo evento de quark top.
La analogía: Imagina a un chef que solo cocina hamburguesas. Si de repente encuentras una hamburguesa que tiene una rebanada de pizza y una dona pegadas, sabes que el chef está usando una receta secreta y prohibida.
El resultado: No encontraron "hamburguesas prohibidas". No se vio evidencia de estos "intercambios prohibidos". Sin embargo, debido a que no encontraron ninguno, pudieron establecer límites muy estrictos sobre qué tan raros podrían ser estos eventos. Básicamente le dijeron al universo: "Si este intercambio prohibido ocurre, debe ser increíblemente, increíblemente raro".

3. El chequeo de "Robo de Identidad" (Violación del número bariónico)

El concepto: En nuestra comprensión actual, el número total de "bariones" (partículas como protones y neutrones que componen la materia) se conserva. La materia no se crea ni se destruye de la nada.
El experimento: Buscaron quarks top desintegrándose de una manera que rompería esta regla, potencialmente convirtiendo un quark top en un leptón y otras partículas de una forma que violaría la conservación de la materia.
La analogía: Imagina un banco donde la cantidad total de dinero en la bóveda supuestamente debe permanecer constante. Los científicos están buscando a un cajero que de alguna manera logra retirar un billete de $100 y convertirlo en un billete de $100 más un billete de $50, creando dinero de la nada.
El resultado: No se encontraron "impresoras de dinero". El universo parece mantener sus cuentas equilibradas. Los científicos establecieron nuevos límites, mucho más estrictos, sobre qué tan seguido podría ocurrir este "robo de identidad", mejorando los límites previos por factores de 1,000 a 1,000,000.

4. La búsqueda de la "Partícula Fantasma" (Leptones neutros pesados)

El concepto: Sabemos que los neutrinos tienen masa, pero no sabemos por qué. Una teoría popular sugiere que existen "Leptones Neutros Pesados" (HNL, por sus siglas en inglés)—primos fantasmales y pesados de los neutrinos que son difíciles de detectar.
El experimento: Esto fue algo inédito para ATLAS: buscar estos partículas fantasmales específicamente dentro de la desintegración de un quark top. Buscaron un quark top convirtiéndose en un neutrino pesado, que luego se desintegra en dos partículas con la misma carga eléctrica (como dos muones de signo positivo).
La analogía: Imagina a un mago sacando un conejo de un sombrero. Normalmente, esperas un conejo. Pero aquí, están buscando un conejo específico, pesado e invisible que deja un rastro de huellas muy particular (dos partículas de mismo signo) antes de desaparecer.
El resultado: No encontraron al conejo fantasma pesado. Sin embargo, lograron mapear exactamente dónde podría estar escondiéndose este conejo (en términos de masa y de qué tan fuertemente interactúa) y descartaron un amplio rango de posibilidades, especialmente para las versiones más pesadas de estas partículas.

La Conclusión

Los equipos de ATLAS y CMS han realizado un riguroso "chequeo de salud" al quark top.

• ¿Encontraron nueva física? No. El quark top se está comportando exactamente como predice el Modelo Estándar.
• ¿Es esto un fracaso? No en absoluto. En física, que "no haya pasado nada" es un gran éxito porque nos dice exactamente dónde no buscar.
• ¿Qué sigue? Han estrechado la red. Han demostrado que, si la nueva física existe, está escondiéndose en un rincón mucho más pequeño y elusivo de lo que pensábamos. Con más datos provenientes de la siguiente fase del LHC (Run 3), seguirán buscando con ojos aún más agudos.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Sondas de la Simetría y Violación de Sabor con Quarks Top en ATLAS y CMS

Problema y Alcance
Este artículo presenta una visión exhaustiva de seis nuevos análisis realizados por las colaboraciones ATLAS y CMS utilizando datos de colisiones protón-protón a una energía de centro de masa de 13 TeV. Los análisis emplean los conjuntos de datos completos del Run 2, que corresponden a luminosidades integradas de 140 fb⁻¹ (ATLAS) y 138 fb⁻¹ (CMS). El objetivo principal es validar las predicciones del Modelo Estándar (SM) dentro del sector del quark top y buscar desviaciones indicativas de física más allá del Modelo Estándar (BSM). Específicamente, el trabajo se dirige a tres categorías de nueva física potencial: Violación de Sabor de Leptones Cargados (cLFV), Violación del Número Bariónico (BNV) y la existencia de Leptones Neutros Pesados (HNL). Además, el artículo informa una medida de precisión de la Universalidad de Sabor Leptónico (LFU).

Metodología
Los análisis emplean enfoques de la Teoría de Campos Efectiva (EFT) independientes del modelo cuando es aplicable, asumiendo una escala de masa de nueva física ($\Lambda$) significativamente mayor que la escala de energía del LHC. Esto permite la extracción de límites sobre los coeficientes de Wilson ($|C|$) para operadores de dimensión 6.

• Universalidad de Sabor Leptónico (LFU): El análisis de ATLAS mide la razón de las funciones de ramificación del bosón $W$ hacia muones y electrones ($R_{\mu/e}^W$) utilizando eventos $t\bar{t}$ en canales dileptónicos ($ee, e\mu, \mu\mu$). Para mitigar las incertidumbres sistemáticas relacionadas con la identificación de leptones, el análisis aprovecha la cinemática de las desintegraciones $Z \to \ell^+\ell^-$ y calcula una doble razón ($R_{\mu/e}^{WZ}$). Se aplican factores de reponderación y mediciones de eficiencia de aislamiento in-situ para alinear la cinemática de electrones y muones.
• Violación de Sabor de Leptones Cargados (cLFV): Tres análisis distintos buscan cLFV en la producción de top simple y la desintegración de $t\bar{t}$:
  • CMS $e\mu$ Trilepton: Utiliza Árboles de Decisión Potenciados (BDT) entrenados en regiones de masa invariante ($m(e\mu) > 150$ GeV para la producción, masas menores para la desintegración) para separar la señal del fondo.
  • ATLAS $\mu\tau$ Trilepton: Selecciona desintegraciones de tau hadrónicas ($\tau_{had}$) y utiliza la suma escalar de los momentos transversales ($H_T$) como la variable discriminante. Este análisis también interpreta los resultados en el contexto de un modelo de leptoquark escalar ($S_1$) con acoplamientos jerárquicos.
  • CMS $\mu\tau$ Hadronic: Se centra en eventos donde el bosón SM $W$ se desintegra hadrónicamente. Emplea la reconstrucción cinemática mediante la minimización de $\chi^2$ y una Red Neuronal Profunda (DNN) multiclasificación entrenada en 28 variables cinemáticas para distinguir señales de cLFV de los fondos de $t\bar{t}$.
• Violación del Número Bariónico (BNV): El análisis de CMS busca vértices $tqq'\ell$ (que violan tanto el número bariónico como el leptónico) en procesos de top simple y $t\bar{t}$. Considera varias combinaciones de sabores de quarks ($q \in [d,s,b], q' \in [u,c]$) y utiliza un único BDT para extraer señales en los canales $ee, e\mu,$ y $\mu\mu$.
• Leptones Neutros Pesados (HNL): El análisis de ATLAS busca HNLs ($N$) producidos en desintegraciones de $t\bar{t}$ mediante la cadena $t \to N\ell, N \to W\ell$, lo que resulta en dileptones de mismo signo ($ee$o$\mu\mu$) y desintegraciones hadrónicas del $W$. La separación de la señal se logra mediante BDTs separados para masas de HNL bajas (15–50 GeV) y altas (>50 GeV), aplicándose ajustes de verosimilitud de perfil (profile likelihood fits) a los datos.

Resultados Clave

• Medición de LFU: La medición de ATLAS arroja $R_{\mu/e}^W = 0.9995 \pm 0.0045$. Este resultado es consistente con la suposición de LFU del SM y representa la prueba más precisa de la universalidad $e$-$\mu$ hasta la fecha, mejorando el promedio anterior del PDG.
• Límites de cLFV: No se observó un exceso significativo sobre las expectativas del SM en ningún canal.
  • Se establecieron límites sobre los coeficientes de Wilson $|C|/\Lambda^2$ y las funciones de ramificación $B(t \to q\ell\ell')$ para quarks $u$ y $c$.
  • El análisis $\mu\tau$ de ATLAS mejoró los límites indirectos previos por factores de 7 a 41.
  • El análisis $\mu\tau$ hadrónico de CMS mejoró los límites previos de los coeficientes de Wilson por un factor de dos.
  • En la interpretación de leptoquarks, ATLAS excluyó acoplamientos $\lambda_{LQ}$ de 1.3 a 3.7 para masas $m_{S1}$ entre 0.5 y 2.0 TeV.
• Límites de BNV: El análisis de CMS no encontró excesos, estableciendo límites superiores en las funciones de ramificación de BNV que mejoran los resultados previos de 8 TeV por factores de $10^3$ a $10^6$.
• Límites de HNL: El análisis de ATLAS extendió los límites existentes sobre la mezcla de HNL con neutrinos de muones en el rango de masa por encima de 50 GeV, utilizando la topología de desintegración de $t\bar{t}$ por primera vez.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que estos análisis constituyen un extenso programa de búsquedas de BSM en el sector del quark top, alcanzando límites de función de ramificación típicos en el rango de $10^{-6}$ a $10^{-8}$. Los autores destacan la utilidad del enfoque EFT para las restricciones independientes del modelo sobre las interacciones de cuatro fermiones de dimensión 6. Además, la medición de precisión de LFU a través de procesos top sirve como una validación rigurosa del SM. El artículo concluye que los resultados actuales, derivados del conjunto de datos completo del Run 2, proporcionan las restricciones más estrictas hasta la fecha sobre estos modos de violación específicos, y se espera que los futuros conjuntos de datos del Run 3 exploren aún más las interacciones del quark top con una precisión mejorada y nuevas técnicas.