Search for nonresonant new physics signals in high-mass dilepton events produced in association with b-tagged jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

El experimento CMS del LHC, utilizando datos de colisiones protón-protón a 13 TeV, no encontró evidencia de nueva física no resonante en eventos de dileptones de alta masa asociados con jets etiquetados como b, estableciendo límites inferiores en la escala de energía de los modelos de teoría de campo efectivo considerados.

Lo esencial

¡Claro que sí! Imagina que el CERN (el laboratorio de física más grande del mundo) es como una gigantesca pista de carreras de partículas. En esta pista, dos trenes de protones (partículas diminutas) viajan a velocidades increíbles, casi la de la luz, y chocan frontalmente.

El objetivo de este nuevo estudio es buscar "fantasmas" o "intrusos" en el caos de esos choques. Aquí te explico qué hicieron, cómo lo hicieron y qué encontraron, usando analogías sencillas:

1. ¿Qué estaban buscando? (Los "Intrusos")

Los físicos saben que nuestra "receta" actual del universo, llamada el Modelo Estándar, funciona muy bien, pero tiene huecos (como la materia oscura o por qué hay más materia que antimateria).

En este experimento, buscaban señales de Nueva Física que no se vean como una partícula nueva que aparece y desaparece (como un resorte), sino como un efecto sutil en choques de alta energía.

Imagina que lanzas dos bolas de billar muy rápido. Normalmente, rebotan de una forma predecible. Pero si hubiera un "fantasma" invisible golpeándolas desde otro lado, las bolas saldrían disparadas en direcciones extrañas o con más fuerza de la esperada.

Buscaban específicamente dos tipos de "fantasmas":

• El Modelo "BB-LL": Imagina que dos partículas de luz (electrones o muones) chocan con dos partículas pesadas llamadas quarks "b" (como si fueran dos ladrillos pesados). Si hay nueva física, estos choques deberían producir pares de partículas de luz con mucha más energía de la normal.
• El Modelo "BS-LL": Aquí buscan un cambio de identidad. Un quark "b" pesado debería transformarse en un quark "s" más ligero y soltar un par de partículas de luz. En el universo normal, esto es como intentar que un elefante se convierta en un ratón y suelte globos al mismo tiempo: es extremadamente difícil y raro. Si lo ven fácil, ¡habrá nueva física!

2. ¿Cómo lo hicieron? (La "Búsqueda del Tesoro")

Usaron los datos de 2016 a 2018, que equivalen a 138 "cubos de luz" (una unidad de medida de datos) de colisiones. Es una cantidad de información inmensa.

• El Detector (CMS): Piensa en el detector CMS como una cámara de seguridad de 360 grados gigante y superpotente que rodea la pista. Tiene capas como una cebolla:
  • Rastreadores: Siguen el camino de las partículas.
  • Calorímetros: Miden cuánta energía tienen (como un termómetro gigante).
  • Detectores de Muones: Atrapan a las partículas que atraviesan todo lo demás.
• El Filtro (Los "B-tagged Jets"): No podían mirar todos los choques (sería como buscar una aguja en un pajar de todo el universo). Así que pusieron un filtro: solo miraron los choques donde salieron chorros de partículas que contenían quarks "b" (los ladrillos pesados mencionados antes).
  • Clasificaron los eventos: ¿Salieron 0 ladrillos pesados? ¿1? ¿2 o más?
• El Filtro Inteligente (IA): Para separar la señal real del ruido de fondo (como el sonido de un motor en una fiesta ruidosa), usaron una Inteligencia Artificial (Red Neuronal). Esta IA aprendió a reconocer la "firma" de los choques normales y los descartó, dejando solo los más extraños para estudiar.

3. ¿Qué encontraron? (El Veredicto)

Después de revisar millones de choques, el resultado fue: Nada sospechoso.

• Sin Exceso: No vieron más partículas de las que predice la teoría actual. Es como si lanzaras las bolas de billar y todas salieran exactamente donde la física dice que deberían salir.
• Límites de Energía: Aunque no encontraron a los "fantasmas", sí pusieron una cinta de "No Pasar". Dijeron: "Si existe nueva física, debe ser tan pesada (con tanta energía) que nuestro acelerador actual no puede crearla".
  • Para el primer modelo, la nueva física debe ser más pesada que 6.9 a 9.0 TeV (un nivel de energía enorme, como si una mosca tuviera la energía de un tren).
  • Para el segundo modelo, los límites también se elevaron.

4. La Prueba de la "Justicia" (Universalidad de Sabor)

Los físicos también hicieron una prueba de justicia. En el Modelo Estándar, los electrones y los muones (que son como primos gemelos, uno ligero y otro pesado) deberían comportarse exactamente igual en estas colisiones.

• La Analogía: Imagina que tienes dos corredores, uno con zapatos de tela y otro con botas de cuero. Si la pista es justa, ambos deberían correr a la misma velocidad.
• El Resultado: Compararon a los "zapatos de tela" (electrones) con los "botas de cuero" (muones). ¡Corrieron a la misma velocidad! No hubo favoritismo. Esto confirma que la "justicia" del Modelo Estándar sigue vigente.

Conclusión

Este estudio es como limpiar el mapa del tesoro. No encontraron el tesoro (la nueva física), pero ahora sabemos con mucha más certeza dónde NO está.

• Han descartado que la nueva física sea "ligera" o fácil de encontrar.
• Han confirmado que el Modelo Estándar sigue siendo el rey, al menos hasta las energías que hemos probado.
• Han establecido nuevos límites: si la nueva física existe, tendrá que esconderse en niveles de energía aún más altos, lo que nos dice que necesitamos aceleradores aún más potentes en el futuro para encontrarla.

En resumen: No encontraron monstruos nuevos en el armario, pero ahora sabemos con seguridad que, si hay monstruos, son tan gigantes que nuestro armario actual es demasiado pequeño para verlos.

Resumen técnico

1. Problema y Contexto Científico

El Modelo Estándar (ME) de la física de partículas describe con éxito las partículas fundamentales y sus interacciones, pero deja sin responder preguntas cruciales como la naturaleza de la materia oscura, la asimetría materia-antimateria y el problema de la jerarquía.

• Objetivo: Buscar evidencia de Nueva Física (NP) no resonante a escalas de energía de varios TeV.
• Enfoque específico: Se centra en la producción de pares de leptones de alta masa invariante ($\ell\ell$, donde $\ell = e$ o $\mu$) asociados a jets etiquetados como provenientes de quarks $b$ ($b$-tagged).
• Motivación: La tercera generación de quarks (específicamente el quark $b$) se espera que sea la más sensible a la NP debido a su alta masa. Además, anomalías recientes en la violación de la universalidad del sabor leptónico en desintegraciones de mesones $B$ (como $R(D^*)$) sugieren posibles desviaciones del ME que podrían manifestarse en canales con quarks $b$.

2. Metodología y Análisis

Datos y Detector

• Datos: Se utilizaron colisiones protón-protón ($pp$) del experimento CMS en el LHC, recopiladas entre 2016 y 2018.
• Energía y Luminosidad: $\sqrt{s} = 13$ TeV con una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$.
• Reconstrucción: Se empleó el algoritmo Particle-Flow (PF) para reconstruir electrones, muones y jets. Se utilizaron criterios estrictos de selección para leptones de alto $p_T$ y el algoritmo DeepJet para la identificación de jets $b$.

Modelos de Señal (Teoría)

El análisis se basa en la Teoría de Campo Efectivo (EFT) con operadores de dimensión seis que describen interacciones de contacto de cuatro fermiones. Se estudiaron dos modelos principales:

1. Modelo $bb\ell\ell$: Interacción entre un par de quarks $b$ y un par de leptones ($\ell\ell$). Este modelo puede ser generado por el intercambio de un bosón gauge neutro pesado ($Z'$) o leptoquarks escalares. Se consideran diferentes estructuras de quiralidad (LL, LR, RL, RR) y signos de interferencia (constructiva o destructiva) con el proceso Drell-Yan (DY) del ME.
2. Modelo $bs\ell\ell$: Describe la transición de corriente neutra con cambio de sabor (FCNC) $b \to s\ell^+\ell^-$. Este proceso está altamente suprimido en el ME (ocurre solo a nivel de bucle) y sería un indicador claro de NP si se observara una desviación significativa.

Selección de Eventos y Categorización

• Canales: Se analizaron pares de electrones ($ee$) y pares de muones ($\mu\mu$).
• Categorías de jets $b$: Los eventos se clasificaron según el número de jets $b$ en el estado final: 0 jets $b$, 1 jet $b$, y $\ge$ 2 jets $b$.
• Fondo dominante: El fondo principal es la producción de pares top-antitop ($t\bar{t}$), especialmente en las categorías con 1 y 2 jets $b$.
• Técnica de Supresión de Fondo: Se entrenó una Red Neuronal Profunda (DNN) utilizando el framework PYTORCH para discriminar entre la señal de NP y el fondo de $t\bar{t}$. La red utiliza variables cinemáticas de los leptones y jets $b$. Se aplicó un corte en la puntuación de la DNN ($>0.6$), lo que permitió rechazar el 90% de los eventos de $t\bar{t}$, haciendo que el fondo de DY+jets sea dominante en la región de señal.

Estimación de Fondos

• Se utilizaron Regiones de Control (CR) y Regiones de Validación (VR) para derivar factores de escala (SF) que corrigen las discrepancias entre la simulación y los datos.
• Se corrigió específicamente la simulación de $t\bar{t}$ y DY+jets utilizando datos en regiones enriquecidas en estos procesos.
• Se incluyeron incertidumbres sistemáticas detalladas (escala de energía de jets, eficiencia de etiquetado $b$, luminosidad, etc.).

Prueba de Universalidad del Sabor Leptónico

Además de la búsqueda de NP, se midió la razón de las secciones eficaces diferenciales $\mu\mu / ee$ como función de la masa invariante. Esto prueba la universalidad del sabor leptónico, corrigiendo las diferencias en la aceptación del detector y la eficiencia de reconstrucción.

3. Resultados Principales

Búsqueda de Nueva Física

• Observación: No se observó ningún exceso significativo de eventos sobre las predicciones del Modelo Estándar en ninguna de las categorías de masa invariante o número de jets $b$.
• Límites en el Modelo $bb\ell\ell$: Se establecieron límites inferiores al 95% de nivel de confianza (CL) en la escala de energía de nueva física ($\Lambda$).
  • Los límites observados oscilan entre 6.9 y 9.0 TeV, dependiendo de la estructura de quiralidad y el tipo de interferencia.
  • Estos resultados representan las primeras restricciones del LHC sobre este modelo específico, extendiendo significativamente la sensibilidad más allá de los límites anteriores establecidos en LEP.
• Límites en el Modelo $bs\ell\ell$: Se establecieron límites en la relación entre la escala de energía y el acoplamiento efectivo ($\Lambda/g^*$).
  • Los límites observados varían entre 1.9 y 2.2 TeV para canales individuales, y 2.4 TeV para la combinación de canales.
  • Estos resultados son comparables a los límites existentes de otros experimentos del LHC (como ATLAS).

Universalidad del Sabor Leptónico

• La razón medida $\mu\mu / ee$ es consistente con la predicción del Modelo Estándar (que es 1, tras correcciones de aceptación).
• No se observaron desviaciones significativas en la universalidad del sabor leptónico en los estados finales con jets $b$.

Estadística

• Se observó un ligero exceso en el canal $ee$ con masa $>1.9$ TeV (significancia $<2\sigma$), consistente con mediciones anteriores sin requisito de jets $b$, pero no suficiente para reclamar un descubrimiento.
• Los valores de $\chi^2$ para la comparación de la razón de sabores con la simulación de DY+jets indican un buen acuerdo (valores $p$-value de 0.05 para 0 jets $b$ y 0.80 para $\ge$1 jet $b$).

4. Contribuciones Clave y Significancia

1. Primera búsqueda de su tipo en CMS: Este es el primer análisis de CMS que busca específicamente la producción no resonante de dileptones de alta masa asociados a jets $b$ utilizando datos completos de Run 2 (2016-2018).
2. Sensibilidad a la Tercera Generación: Al enfocarse en quarks $b$, el análisis explora una región de parámetros donde la NP podría acoplarse preferentemente a la tercera generación de fermiones, una predicción común en modelos de leptoquarks y $Z'$.
3. Técnicas Avanzadas de ML: La implementación exitosa de una DNN para suprimir el fondo de $t\bar{t}$ en canales con múltiples jets $b$ demuestra la capacidad del experimento CMS para aislar señales sutiles en entornos de alto fondo.
4. Restricciones Teóricas: Los límites establecidos en $\Lambda$ para el modelo $bb\ell\ell$ son los más estrictos hasta la fecha para este canal, descartando regiones de parámetros para teorías de leptoquarks y bosones $Z'$ que interactúan con quarks $b$.
5. Validación del ME: La confirmación de la universalidad del sabor leptónico en este régimen de alta energía y con jets $b$ refuerza la validez del Modelo Estándar en escalas de TeV, poniendo límites estrictos a modelos que predicen violaciones de esta simetría.

En resumen, el análisis no encuentra evidencia de nueva física en los datos actuales, pero establece los límites más rigurosos hasta la fecha para interacciones de contacto no resonantes que involucran quarks $b$ y leptones, guiando futuras búsquedas en el LHC y más allá.