Observation of a cross-section enhancement near the $t\bar{t}$ production threshold in $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Observación de un aumento en la sección eficaz cerca del umbral de producción de $t\bar{t}$

Problema y Motivación
Este artículo aborda el régimen cinemático de la producción de pares de quarks top ($t\bar{t}$) cerca del umbral, donde la masa invariante del sistema ($m_{t\bar{t}}$) es cercana a $2m_t \approx 345$ GeV. En este régimen no relativista, una fracción significativa de los pares $t\bar{t}$ se produce en un estado de singlete de color. Si bien la gran masa y la vida corta del quark top suelen impedir la formación de estados ligados estrechos (a diferencia de los charmonia o bottomonia), las predicciones teóricas en QCD no relativista (NRQCD) sugieren la formación de "estados cuasi-ligados" (a veces denominados "toponios"). Se predice que estos estados no se manifiestan como resonancias agudas, sino como un aumento local en la sección eficaz de producción justo por debajo del umbral.

Mediciones previas de ATLAS y CMS han observado tensiones entre los datos y los modelos de Monte Carlo (MC) de QCD perturbativa (pQCD) estándar en esta región. Si bien modelos simplificados que tratan el estado cuasi-ligado como una resonancia pseudoescalar estrecha ($\eta_t$) han aliviado algunas tensiones, recientemente se ha desarrollado una descripción más completa utilizando el reponderado de la función de Green de NRQCD ($t\bar{t}$GFRW). Este análisis tiene como objetivo cuantificar la concordancia entre los datos y dos modelos competidores: un modelo base de pQCD y un modelo extendido que incorpora estos efectos avanzados de estados cuasi-ligados de NRQCD.

Metodología
La medición utiliza 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón recolectados a $\sqrt{s} = 13$ TeV por el detector ATLAS durante la Carrera 2 del LHC (2015–2018). El análisis se centra en el canal de desintegración dileptónica ($t\bar{t} \to \ell^+\nu b \ell^-\bar{\nu}\bar{b}$, donde $\ell = e, \mu$).

• Selección y Categorización de Eventos: Se seleccionan eventos que requieren exactamente dos leptones de carga opuesta y al menos dos jets (uno con etiqueta $b$ o $b$-tagged). Para mejorar la sensibilidad al estado de espín del sistema $t\bar{t}$, los eventos se categorizan en nueve Regiones de Señal (SR) basadas en dos observables angulares, $c_{hel}$ y $c_{han}$, calculados en el sistema de referencia del centro de masa de $t\bar{t}$. Estos observables son sensibles a las correlaciones de espín; específicamente, el estado de singlete de espín (dominante en la formación de estados cuasi-ligados) produce una distribución de $c_{hel}$ distinta comparada con el fondo de pQCD estándar.
• Reconstrucción: La masa invariante $t\bar{t}$ ($m_{t\bar{t}}$) se reconstruye utilizando el "Método de la Elipse", que resuelve analíticamente los momentos de los neutrinos utilizando restricciones cinemáticas (masas del top y del bosón $W$).
• Modelos Teóricos:
  • Modelo Base: Utiliza el generador Powheg v2 hvq con precisión NLO, reponderado para aproximar la precisión NNLO-QCD+NLO-EW.
  • Modelo Extendido: Incluye el modelo base más una simulación de la formación de estados cuasi-ligados de $t\bar{t}$ mediante el enfoque de Función de Green Reponderada ($t\bar{t}$GFRW), que tiene en cuenta todo el espectro de estados singlete de color de onda-$S$ cerca del umbral.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de verosimilitud de perfil por intervalos (binned profile-likelihood fit) en las distribuciones de $m_{t\bar{t}}$ reconstruidas a través de las nueve SR (300–500 GeV) y las regiones de control. El ajuste extrae un parámetro de intensidad de señal ($\mu$) para el componente $t\bar{t}$GFRW, tratando la normalización de la contribución del estado cuasi-ligado como un parámetro libre.

Contribuciones Clave

• Observación del Aumento en el Umbral: El análisis proporciona una observación de un aumento significativo de la sección eficaz cerca del umbral de $t\bar{t}$ que es consistente con la formación de estados cuasi-ligados de onda-$S$, singlete de espín y singlete de color. Esto se basa en trabajos previos donde se realizó la primera observación del entrelazamiento cuántico en el LHC en este régimen cinemático.
• Análisis Sensible al Espín: Al utilizar los observables angulares $c_{hel}$ y $c_{han}$, el análisis mejora significativamente la sensibilidad al componente de singlete de espín en comparación con búsquedas anteriores que no reconstruían completamente el sistema $t\bar{t}$ o utilizaban diferentes variables angulares.
• Comparación de Modelado Exhaustiva: El documento compara rigurosamente los datos contra un fondo de pQCD estándar y un modelo de vanguardia de NRQCD, cuantificando la necesidad de incluir los efectos de los estados cuasi-ligados.

Resultados

• Significancia: El modelo de pQCD base (sin contribuciones de estados cuasi-ligados) es rechazado con una significancia observada de más de 8 desviaciones estándar ($8\sigma$). La significancia esperada bajo la hipótesis de solo fondo es de $6\sigma$.
• Medición de la Sección Eficaz: El modelo extendido, que incluye el componente $t\bar{t}$GFRW, proporciona una buena descripción de los datos. La sección eficaz medida para la contribución del estado cuasi-ligado es:
  $$\sigma(t\bar{t}\text{GFRW}) = 9.3^{+1.4}_{-1.3} \text{ pb}$$
  Esto corresponde a una intensidad de señal de $\mu(t\bar{t}\text{GFRW}) = 1.45^{+0.21}_{-0.20}$ relativa a la predicción teórica de 6.43 pb.
• Incertidumbres Sistemáticas: La precisión de la medición está limitada principalmente por las incertidumbres estadísticas, seguidas de las incertidumbres de modelado relacionadas con la radiación de estado final (FSR) en la muestra $t\bar{t}$GFRW y las elecciones de escala en el reponderado NNLO QCD para la muestra de pQCD.
• Modelos Alternativos:
  • Un ajuste alternativo utilizando el generador bb4$\ell$ para el fondo de pQCD produce un resultado compatible ($\sigma = 8.5^{+1.2}_{-1.1}$ pb) con una significancia de $>8\sigma$.
  • Un ajuste utilizando un modelo de resonancia pseudoescalar simplificado ($\eta_t$) produce una sección eficaz mayor ($\sigma = 13.1^{+1.9}_{-1.7}$ pb) pero también rechaza el modelo base con $>8\sigma$ de significancia. El artículo señala que las diferencias en la forma de $m_{t\bar{t}}$ entre los modelos simplificados y los modelos NRQCD completos conducen a variaciones en la sección eficaz extraída.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el exceso observado de eventos sobre la predicción de la QCD perturbativa base es consistente con la formación de estados cuasi-ligados de $t\bar{t}$ de onda-$S$, singlete de espín y singlete de color, tal como predice la QCD no relativista. Esto constituye una prueba estricta de la QCD en el régimen no relativista.

El autor enfatiza que, si bien los datos favorecen fuertemente la inclusión de los efectos de los estados cuasi-ligados, se requieren investigaciones adicionales para caracterizar completamente el exceso. Específicamente, señalan la necesidad de mejorar el emparejamiento (matching) entre las predicciones de NRQCD y pQCD, la inclusión de correcciones de orden superior (como las contribuciones de onda-$P$ y de color octeto) y una mejor cuantificación de los efectos de desprendimiento (off-shell) del quark top para reconciliar los resultados obtenidos con diferentes modelos teóricos (por ejemplo, el modelo completo $t\bar{t}$GFRW frente al modelo simplificado $\eta_t$). El artículo concluye que estos modelos mejorados son esenciales no solo para comprender este régimen cinemático específico, sino también para la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar en este régimen.