⚛️ high-energy experiments

Search for emerging jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS experiment

Utilizando 140 fb $^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV, el experimento ATLAS llevó a cabo una búsqueda de jets emergentes en topologías de cuatro jets y no encontró un exceso significativo sobre el fondo del Modelo Estándar, estableciendo límites de exclusión en las masas de los mediadores entre 1 y 2 TeV para parámetros específicos del sector oscuro.

Autores originales: ATLAS Collaboration

Publicado 2026-07-16

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CC BY 4.0

Autores originales: ATLAS Collaboration

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el universo como una ciudad gigante y bulliciosa donde la mayoría de los edificios están hechos de un material familiar y visible llamado materia del "Modelo Estándar". Conocemos bien esta ciudad; hemos mapeado sus calles y nombrado a sus ciudadanos. Pero los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que esta ciudad visible es solo la punta del iceberg. Oculto bajo las calles, en una vasta e invisible red subterránea, se encuentra un "Sector Oscuro". No podemos verlo directamente porque sus habitantes no interactúan con la luz ni con las fuerzas que utilizamos para construir nuestro mundo. Sin embargo, sabemos que esta ciudad oscura debe existir porque su gravedad mantiene unida a la ciudad visible, evitando que se desintegre. El gran misterio es: ¿cómo es esta ciudad oscura? ¿Es un vacío silencioso y vacío, o es una metrópolis caótica con sus propias leyes físicas complejas, sus propias partículas y su propia arquitectura extraña?

Los científicos están particularmente interesados en una teoría llamada "QCD Oscura". En nuestro mundo visible, una fuerza llamada Cromodinámica Cuántica (QCD) actúa como un pegamento súper fuerte, uniendo diminutas partículas llamadas quarks para formar protones y neutrones. La teoría de la QCD Oscura sugiere que el sector oscuro oculto tiene su propia versión de este pegamento, creando sus propios "quarks oscuros" que se agrupan para formar "hadrones oscuros". La parte emocionante es que estas partículas oscuras podrían no permanecer ocultas para siempre. Podrían decaer ocasionalmente, convirtiéndose en nuestras partículas familiares y dejando tras de sí una firma muy específica y extraña: un chorro (jet) de partículas que parece aparecer de la nada en medio de un detector, lejos de donde comenzó la colisión. Estos se llaman "jets emergentes", y encontrarlos sería como descubrir una estación de metro secreta que solo abre sus puertas por una fracción de segundo antes de desaparecer de nuevo.

Este artículo es un informe del experimento ATLAS, un detector de partículas masivo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza. El equipo actuó como detectives cósmicos, cribando una montaña de datos de 140 trillones de trillones de colisiones de protones (140 fb⁻¹) que ocurrieron entre 2015 y 2018. Estaban buscando un escenario específico: la creación en una colisión de un par de partículas "mediadoras" pesadas e invisibles (piensa en ellas como mensajeras oscuras). Estos mensajeros se desintegrarían instantáneamente en una mezcla de partículas normales y partículas oscuras. Las partículas oscuras viajarían entonces una corta distancia dentro del detector antes de convertirse en una ráfaga de partículas normales, creando un "jet" que parece emerger de la nada, completo con múltiples "vértices desplazados" (puntos donde ocurrió la desintegración lejos del centro).

Para encontrar estas señales elusivas, los científicos no solo buscaron una cosa; construyeron un sofisticado "detective digital" de dos etapas utilizando aprendizaje automático (machine learning). Primero, entrenaron a una computadora para reconocer la forma y estructura únicas de un solo jet que podría estar ocultando secretos oscuros. Luego, entrenaron a una segunda computadora para observar el evento completo, verificando si los cuatro jets de la colisión coincidían con el patrón de un par de mensajeros oscuros desintegrándose. Compararon sus hallazgos contra un enorme fondo de colisiones de partículas ordinarias, que son como la multitud ruidosa en un concierto que fácilmente puede ahogar un susurro.

¿El resultado de esta búsqueda masiva? Los detectores permanecieron en silencio. Los detectores no encontraron evidencia de jets emergentes. El número de eventos que vieron coincidió perfectamente con las predicciones de la física ordinaria, sin que aparecieran excesos misteriosos. Debido a que no encontraron la señal, no pudieron probar que los mensajeros oscuros existen, pero hicieron algo igualmente importante: trazaron un mapa muy estricto de dónde no pueden estar estos mensajeros. Descartaron la existencia de estos mediadores oscuros específicos si tienen masas entre 1 y 2 TeV (una unidad de energía de masa) y si las partículas oscuras que crean tienen un tiempo de vida específico de 20 mm. En otras palabras, si estos mensajeros oscuros existen, son mucho más pesados que 2 TeV, o se comportan de una manera totalmente diferente al modelo que los científicos estaban probando. La búsqueda continúa, pero por ahora, esta versión particular de la ciudad oscura permanece oculta.

Resumen Técnico: Búsqueda de Jets Emergentes en colisiones $pp $a$ \sqrt{s}=13$ TeV con el experimento ATLAS

Problema y Motivación
A pesar de la amplia evidencia de la Materia Oscura (DM), su naturaleza de partícula sigue siendo desconocida. Los modelos teóricos proponen un "Sector Oscuro" (DS) gobernado por un grupo de gauge confinante análogo a la Cromodinámica Cuántica (QCD), a menudo denominado "Dark QCD". En tales modelos, los quarks oscuros ( $Q_d$ ) se hadronizan en mesones oscuros (piones oscuros, $\pi_d$ ) y bariones. Mientras que los bariones oscuros estables podrían constituir la DM, los mesones oscuros inestables pueden decaer nuevamente en partículas del Modelo Estándar (SM) a través de un mediador escalar pesado ( $\phi$ ). Dependiendo de la vida media de los piones oscuros, estos decaimientos producen firmas distintivas: jets prompt, jets semi-visibles (que contienen energía transversa faltante) o "jets emergentes" (EJs). Los EJs se caracterizan por una alta multiplicidad de hadrones oscuros de larga vida que decaen dentro del volumen del detector, produciendo múltiples vértices desplazados (DVs) contenidos dentro de un único cono de jet. Este artículo presenta una búsqueda de EJs derivados de la producción por pares de mediadores escalares, un escenario no cubierto totalmente por búsquedas previas de jets prompt o semi-visibles.

Metodología
El análisis utiliza 140 fb $^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s}=13$ TeV recolectados por el detector ATLAS entre 2015 y 2018 (Run 2).

Modelo de Señal: La búsqueda se dirige a la producción por pares de mediadores escalares bifundamentales ( $\phi$ ) mediante la aniquilación $q\bar{q}$ y la fusión gluón-gluón. Cada mediador decae en un quark oscuro y un quark del SM. El quark oscuro experimenta una cascada en el sector oscuro, produciendo una ráfaga colimada de piones oscuros que decaen en quarks down del SM ( $\pi_d \to d\bar{d}$ ) con una vida media macroscópica. La topología del estado final consiste en cuatro jets: dos jets del SM y dos jets emergentes. El análisis asume un modelo sin sabor donde el mediador se acopla únicamente a quarks down del SM.
Reconstrucción de Eventos: La reconstrucción estándar de trazas de ATLAS se complementa con un algoritmo dedicado de "Large Radius Tracking" (LRT) para recuperar trazas con grandes parámetros de impacto ( $|d_0| < 300$ mm). Los vértices desplazados secundarios (DVs) se reconstruyen utilizando tanto trazas estándar como de LRT, sujetos a estrictos criterios de selección para rechazar el fondo proveniente de interacciones de material y partículas de larga vida del SM (p. ej., $K^0_S$ ).
Selección de Eventos: Los eventos se disparan (trigger) con al menos cuatro jets con $p_T > 120$ GeV. La selección offline requiere que la suma escalar de los $p_T$ de los cuatro leading jets ( $H_T$ ) supere 1 TeV. Una variable clave es la Fracción de Trazas Prompt (PTF), calculada para los jets con el fin de distinguir jets similares al SM de aquellos que contienen trazas desplazadas. Los eventos deben contener al menos un DV emparejado con un jet.
Estrategia de Clasificación: Se emplea un clasificador de Árbol de Decisión Potenciado (BDT) de dos etapas. La primera etapa opera a nivel de jet utilizando observables como la masa, el ancho y la energía del jet. La segunda etapa opera a nivel de evento, utilizando los scores de BDT de los cuatro leading jets, $H_T$ , el PTF mínimo, la multiplicidad de jets y la esfericidad transversa ( $S_T$ ).
Estimación de Fondo: El fondo dominante es la producción de multijets QCD, la cual es difícil de modelar con precisión en simulación. Se utiliza un enfoque totalmente basado en datos mediante un método ABCD modificado. El plano ABCD se define por la respuesta del BDT a nivel de evento ( $R$ ) y el número de vértices desplazados emparejados con jets ( $N_{DV}$ ). La región de señal (SR) se define por un $R$ alto y un $N_{DV}$ alto, mientras que las regiones de control (CRs) se utilizan para estimar el rendimiento del fondo en la SR. Se aplica un ajuste lineal para corregir las correlaciones entre las variables. Dos regiones de validación (Low- $H_T$ y Shifted-ABCD) confirman el método de estimación de fondo.

Contribuciones Clave

Estrategia de Búsqueda Novedosa: Este análisis extiende la búsqueda de firmas de Dark QCD a la topología de jets emergentes en el estado final de cuatro jets, apuntando específicamente a la producción por pares de mediadores escalares. Complementa las búsquedas previas de Run 2 y Run 3 que se centraron en mediadores vectoriales resonantes o topologías de dos jets.
Aprendizaje Automático Avanzado: La implementación de un clasificador BDT de dos etapas separa eficazmente la compleja firma de EJ del abrumador fondo de multijets QCD, aprovechando tanto la subestructura del jet como las variables de forma global del evento.
Estimación de Fondo Robusta: La aplicación de un método ABCD modificado con extrapolación lineal permite una estimación de fondo precisa y basada en datos en una región donde la simulación no es fiable, validada a través de múltiples regiones de control y validación.
Manejo de Incertidumbre Sistemática: El análisis incluye un tratamiento exhaustivo de las incertidumbres sistemáticas, particularmente aquellas relacionadas con la reconstrucción de trazas y vértices desplazados (LRT), que son la fuente dominante de incertidumbre para modelos de señal de larga vida.

Resultados
No se observó un exceso significativo de eventos por encima de la expectativa del fondo del Modelo Estándar.

Observado vs. Esperado: En la región de señal, se observaron 103 eventos frente a un fondo predicho de $112 \pm 6$ (stat) $\pm 4$ (syst).
Límites de Exclusión: Se establecieron límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) para la sección eficaz de producción por pares del mediador escalar ( $\sigma(pp \to \phi^\dagger\phi)$ $σ (pp \to ϕ^{†} ϕ)$ ).
- Para piones oscuros con una longitud de decaimiento propia ( $c\tau_{\pi_d}$ ) de 20 mm y una masa ( $m_{\pi_d}$ ) de 20 GeV, se excluyen masas del mediador en el rango de 1 a 2 TeV.
- Específicamente, para $m_{\pi_d} = 20$ GeV y $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, se excluyen masas del mediador de hasta 2.00 TeV.
- Para $m_{\pi_d} = 10$ GeV y $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, se excluyen masas de hasta 1.99 TeV.
- Para $m_{\pi_d} = 5$ GeV y $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, se excluyen masas de hasta 1.95 TeV.
Dependencia de la Vida Media: La sensibilidad es mayor para vidas medias intermedias ( $2 \text{ mm} < c\tau_{\pi_d} < 100 \text{ mm}$ ). La sensibilidad disminuye para vidas medias muy cortas (debido al desplazamiento reducido) y muy largas (debido a decaimientos que ocurren fuera de la aceptancia del tracker).
Comparación con CMS: Los resultados se comparan con búsquedas recientes de CMS para jets emergentes. Mientras que CMS establece límites más estrictos para vidas medias muy bajas y muy altas utilizando una Red Neuronal de Grafos (GNN), este análisis de ATLAS demuestra una sensibilidad competitiva en el rango de vida media intermedia ($2-300$ mm).

Significancia
Este artículo establece los límites más estrictos hasta la fecha sobre la producción por pares de nuevos mediadores escalares en la topología de jets emergentes para configuraciones específicas de masa y vida media. Al sondar secciones eficaces un factor de dos más pequeñas que las búsquedas previas de ATLAS en la topología de cuatro jets, este análisis restringe significativamente el espacio de parámetros de los modelos de Dark QCD. El resultado nulo impone fuertes restricciones a la existencia de sectores oscuros con simetrías tipo QCD y mediadores escalares que se acoplan a quarks de tipo down, particularmente para masas de mediador de hasta 2 TeV y vidas medias de piones oscuros alrededor de 20 mm. La metodología, particularmente la estimación de fondo basada en datos y el clasificador ML de dos etapas, proporciona un marco robusto para futuras búsquedas de partículas de larga vida en entornos de jets complejos.

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