Measurement of differential $t$-channel single top (anti)quark production cross-sections at 13 TeV with the ATLAS detector

Utilizando el conjunto completo de datos de la Run 2 de 140 fb$^{-1}$ recolectados por el detector ATLAS a 13 TeV, este estudio presenta mediciones diferenciales de las secciones eficaces de producción de un solo top en el canal $t$ y de antiquark top, encontrando un buen acuerdo con las predicciones teóricas y estableciendo restricciones sobre el coeficiente de Wilson $C_{Qq}^{3,1}$ dentro de un marco de teoría de campo efectivo.

Lo esencial

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como la pista de carreras de partículas más rápida y potente del mundo. Dentro de este anillo, los científicos hacen chocar protones entre sí a casi la velocidad de la luz para ver qué sucede cuando los bloques de construcción del universo colisionan.

Este documento es un informe detallado de la calificación del experimento ATLAS, uno de los gigantescos detectores que observa estas colisiones. El equipo está estudiando un evento muy específico y poco común: la creación de un quark top individual.

El panorama general: Encontrar una aguja en un pajar

Los quarks top son las partículas elementales más pesadas conocidas. Normalmente, se crean por parejas (como gemelos) cuando los protones chocan. Pero a veces, a través de un proceso de "intercambio" específico que involucra una partícula virtual llamada bosón W, un quark top individual (o su gemelo de antimateria, el antiquark top) aparece por sí solo.

Piensa en esto como un juego de billar. Normalmente, cuando golpeas una bola, podrías obtener dos bolas rodando lejos. Pero en este juego específico de "canal t", una bola golpea a otra y ellas intercambian un taco (el bosón W), lo que provoca que solo una nueva bola salga disparada de la mesa. Los científicos querían medir exactamente con qué frecuencia ocurre esto y qué tan rápido se mueven estos quarks top "solitarios".

Los datos: Una biblioteca masiva de colisiones

Los investigadores no solo observaron unas pocas colisiones; analizaron datos de 2015 a 2018. Esto corresponde a 140 femtobarns inversos de datos. Para ponerlo en perspectiva, si un femtobarn es un solo grano de arena, este conjunto de datos es como una montaña de arena. Cribaron miles de millones de colisiones para encontrar las pocas miles que contenían la "firma" específica de un evento de quark top individual:

• Un electrón o un muón aislado (un primo pesado del electrón).
• Mucha energía "perdida" (transportada por neutrinos invisibles).
• Exactamente dos chorros (jets) de partículas, siendo uno de ellos proveniente de un quark fondo (un jet con etiqueta de b o "b-tagged").

El desafío: Limpiar el desorden

El problema es que la "señal" (el quark top) está enterrada bajo una montaña de "ruido de fondo" (otras colisiones comunes de partículas que se ven similares).

Para resolver esto, el equipo utilizó una Red Neuronal (NN). Piensa en esto como un detective digital altamente entrenado. Se le enseñó a observar las formas, velocidades y ángulos de las partículas en una colisión y a asignarles una "puntuación de sospecha". Si la puntuación era lo suficientemente alta, el evento se conservaba; si era baja, se descartaba. Esto les permitió separar los eventos raros de quarks top del ruido de fondo común con alta precisión.

La medición: Mapeando el terreno

Una vez aislados los eventos, los científicos no solo los contaron. Querían saber dónde y qué tan rápido se movían estos quarks top. Midieron la "sección eficaz" (una palabra elegante para la probabilidad de que ocurra el evento) de dos maneras:

1. Absoluta: Cuántos eventos ocurrieron en total.
2. Normalizada: Qué porcentaje de los eventos totales caía en rangos específicos de velocidad o posición.

Mapearon estos eventos basándose en:

• Momento transversal ($p_T$): Qué tan fuerte se mueve el quark top lateralmente.
• Rapidez ($|y|$): Qué tan lejos hacia adelante o hacia atrás viaja el quark top en relación con el haz.

Hicieron esto por separado para los quarks top y los antiquarks top. ¿Por qué? Porque los protones están hechos de diferentes ingredientes (más quarks "up" que quarks "down"). Teóricamente, crear un quark top debería ser ligeramente más fácil que crear un antiquark top. Los datos confirmaron esto, mostrando una tasa más alta para los tops que para los anti-tops.

Los resultados: Teoría vs. Realidad

El equipo comparó sus mediciones con las mejores predicciones teóricas disponibles, que son como recetas matemáticas complejas de cómo debería comportarse el universo.

• El veredicto: Las mediciones coincidieron muy bien con las predicciones. Las "recetas" (específicamente aquellas que utilizan cálculos de orden siguiente al siguiente orden de contribución o Next-to-Next-to-Leading Order) fueron precisas.
• La limitación: Aunque la coincidencia fue buena, los científicos aún no pueden distinguir entre diferentes versiones de las recetas porque su propia "imprecisión" de medición (incertidumbres sistemáticas) todavía es algo grande. Es como intentar escuchar un susurro en una habitación ruidosa; sabes que alguien está hablando, pero aún no puedes distinguir las palabras específicas.

El giro: Buscando nueva física

Finalmente, el equipo utilizó sus datos para probar la "Nueva Física" utilizando un marco llamado Teoría de Campos Efectivos (EFT).

• La analogía: Imagina que el Modelo Estándar (nuestra mejor teoría actual) es un mapa perfecto de una ciudad. La EFT pregunta: "¿Qué pasa si hay túneles secretos o atajos ocultos que aún no conocemos?".
• La prueba: Buscaron un tipo específico de "atajo" que involucra una interacción de cuatro quarks. Si este atajo existiera, cambiaría la distribución de velocidad de los quarks top, especialmente de los más rápidos.
• El resultado: No encontraron evidencia de estos túneles secretos. Establecieron un límite estricto sobre qué tan grandes podrían ser estos "atajos", mejorando los límites previos. También tuvieron que tener en cuenta el hecho de que, si estos atajos existieran, cambiarían la facilidad con la que se detectan los eventos (la "eficiencia de selección"), y corrigieron eso en sus cálculos.

Resumen

En términos simples, este documento es una auditoría de alta precisión de cómo se crean los quarks top individuales en el LHC. El equipo ATLAS logró mapear la velocidad y dirección de estas partículas, confirmó que nuestras teorías actuales de la física están funcionando correctamente y estrechó las reglas sobre dónde podría estar escondiéndose la "nueva física". No encontraron nuevas partículas, pero demostraron que el universo se está comportando exactamente como nuestros mejores mapas predicen, incluso en estas condiciones extremas.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Medición de las secciones efectivas diferenciales de producción de (anti)quarks top en el canal $t$ a 13 TeV con el detector ATLAS

Problema y Motivación
La producción de quarks top individuales mediante el intercambio en el canal $t$ de un bosón $W$ virtual es un proceso fundamental en el Modelo Estándar (SM), que proporciona una sonda directa de las propiedades del quark top y del acoplamiento $Wtb$. Aunque se han medido las secciones efectivas totales a diversas energías del LHC, las mediciones diferenciales ofrecen perspectivas más profundas sobre las funciones de distribución de partones (PDF), específicamente la relación entre quarks $u/d$ y la densidad de quarks $b$. Además, las distribuciones diferenciales precisas son esenciales para probar el SM frente a las predicciones de la cromodinámica cuántica (QCD) de orden superior y para establecer restricciones sobre la física más allá del Modelo Estándar (BSM) mediante la Teoría de Campos Efectivos (EFT). Las mediciones previas a $\sqrt{s}=13$ TeV se vieron limitadas por muestras de datos parciales o análisis combinados de $tq$y$\bar{t}q$. Este artículo aborda la necesidad de una medición diferencial de alta precisión de las secciones efectivas de $tq$y$\bar{t}q$ de forma separada utilizando el conjunto completo de datos de la Run 2, extendiendo el alcance cinemático y mejorando las restricciones sobre los operadores EFT.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón registrados por el detector ATLAS entre 2015 y 2018 a una energía de centro de masa de $\sqrt{s}=13$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$.

• Selección de Eventos: Los eventos de señal se caracterizan por la desintegración leptónica del quark top, requiriendo exactamente un electrón o un muón aislado ($p_T > 28$ GeV), un momento transversal faltante grande ($E_T^{miss} > 30$ GeV) y exactamente dos jets. Un jet debe estar etiquetado como $b$ (identificado mediante el algoritmo DL1r con un punto de trabajo de eficiencia del 60%) y tener $|\eta| < 2.5$. Para suprimir los fondos de multijets, se aplican requisitos cinemáticos, incluyendo $m_T(W) > 50$ GeV y un corte específico en el ángulo azimutal entre el leptón y el jet líder.
• Extracción de la Señal: Se emplea una Red Neuronal (NN), entrenada en variables cinemáticas para distinguir la señal del fondo, para lograr una alta pureza de señal, separando el análisis en dos regiones de señal basadas en la carga del leptón ($\ell^+$ para $tq$y$\ell^-$ para $\bar{t}q$).
• Estimación del Fondo: Los fondos de $t\bar{t}$, single-top (canal $s$, $tW$), dibosones, y $W/Z$+jets se estiman mediante simulaciones de Monte Carlo (MC) normalizadas mediante un ajuste de máxima verosimilitud de perfil simultáneo. Los fondos de multijet se estiman utilizando una combinación de técnicas basadas en datos y muestras de dijets simuladas.
• Unfolding (Desconvolución): Las distribuciones medidas se corrigen por efectos del detector (resolución, aceptancia, eficiencia) utilizando el método iterativo de D'Agostini. Las distribuciones se deconvolucionan al nivel de partones para quarks top estables y se extrapolan al espacio de fase cinemático completo.
• Comparación Teórica: Los resultados se comparan con las predicciones del SM a NLO y NNLO utilizando varios generadores de elementos de matriz (Powheg Box, MG_aMC@NLO), programas de lluvia de partones (Pythia 8, Herwig 7) y conjuntos de PDF (NNPDF, MSHT, CT, ABMP, ATLASPDF).
• Interpretación EFT: Las secciones efectivas diferenciales en función del momento transversal del quark top ($p_T(t)$) se interpretan dentro del marco de la Teoría de Campos Efectivos del Modelo Estándar (SMEFT). El análisis restringe el coeficiente de Wilson $C_{Qq}^{3,1}$ asociado a un operador de cuatro quarks ($O_{Qq}^{3,1}$), contabilizando explícitamente el impacto de los coeficientes de Wilson no nulos en la eficiencia de selección y la aceptancia cinemática.

Contribuciones Clave

1. Primera Medición Diferencial Separada: Este trabajo presenta la primera medición separada de las secciones efectivas diferenciales de producción de $tq$y$\bar{t}q$a$\sqrt{s}=13$ TeV, así como la primera medición de su razón como función de $p_T$ y rapidez $|y|$.
2. Alcance Cinemático Extendido: La medición extiende el rango de $p_T(t)$ o $p_T(\bar{t})$ hasta 500 GeV, una mejora significativa respecto a las mediciones previas limitadas a 300 GeV.
3. Mejora de la Precisión: Al utilizar el conjunto completo de datos de la Run 2 (140 fb$^{-1}$), el análisis logra una precisión del 3% al 6% para las secciones efectivas diferenciales normalizadas como función de $|y|$, superando la precisión del 7% al 15% de las mediciones anteriores a 8 TeV.
4. Restricciones EFT con Corrección de Aceptancia: El análisis proporciona una interpretación novedosa en el marco de SMEFT que incorpora el efecto del operador de cuatro quarks en la eficiencia de selección, un factor que a menudo se omite en las mediciones inclusivas.

Resultados

• Mediciones de Secciones Efectivas: Se miden las secciones efectivas absolutas y normalizadas para la producción de $tq$y$\bar{t}q$ como funciones de $p_T(t)$, $p_T(\bar{t})$, $|y(t)|$ y $|y(\bar{t})|$. También se mide la razón de las secciones efectivas.
• Comparación con la Teoría: En general, se observa un buen acuerdo entre las mediciones y las predicciones teóricas.
  • Los cálculos de orden fijo a LO (MCFM) no logran describir los espectros de $p_T$, como era de esperar debido a la falta de radiación de gluones.
  • Las predicciones NLO y NNLO muestran un muy buen acuerdo con los datos, siendo NNLO generalmente la que proporciona un mejor ajuste.
  • Las predicciones utilizando diferentes conjuntos de PDF concuerdan dentro de las incertidumbres de la medición, aunque el conjunto ABMP16 muestra una menor probabilidad para la sección efectiva de $\bar{t}q$ en la distribución de $|y(\bar{t})|$ y sobreestima la razón de las secciones efectivas.
• Incertidumbres: Las mediciones están dominadas por incertidumbres sistemáticas, principalmente de modelado de la señal y fuentes experimentales (escala de energía del jet, etiquetado de $b$). Las incertidumbres estadísticas se vuelven significativas solo en la región de alto $p_T$ y para las razones de las secciones efectivas.
• Restricciones EFT: La interpretación de las distribuciones de $p_T$ restringe el coeficiente de Wilson $C_{Qq}^{3,1}/\Lambda^2$. El intervalo al nivel de confianza del 95% se determina como $-0.12 \text{ TeV}^{-2} < C_{Qq}^{3,1}/\Lambda^2 < 0.12 \text{ TeV}^{-2}$.

Significancia
El artículo afirma que este análisis avanza significativamente en la comprensión de la producción de quarks top individuales al proporcionar las mediciones diferenciales más precisas hasta la fecha a 13 TeV. Los resultados validan las predicciones del SM a NNLO y restringen la relación de quarks $u/d$ en el protón. Crucialmente, la interpretación EFT demuestra que tener en cuenta los cambios en la aceptancia debidos a los operadores BSM es esencial para derivar restricciones precisas. Los límites obtenidos para el operador de cuatro quarks $O_{Qq}^{3,1}$ mejoran las restricciones previas derivadas de la medición de la sección efectiva total inclusiva, resaltando la sensibilidad de las distribuciones diferenciales a los efectos de nueva física. El artículo concluye que la medición está limitada por las incertidumbres sistemáticas, lo que sugiere que las mejoras futuras dependerán de un mejor modelado de los procesos de señal y del rendimiento del detector.