Search for pair production of heavy resonances in final states with a photon and large-radius jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

El experimento CMS realizó la primera búsqueda de la producción en pares de resonancias pesadas (t*) en colisiones protón-protón a 13 TeV mediante el canal final ttγg, estableciendo límites de exclusión para masas de hasta 1390 GeV sin encontrar desviaciones significativas respecto al fondo esperado.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el universo es como una gigantesca fábrica de juguetes, pero en lugar de plástico y madera, los juguetes más pequeños (las partículas) están hechos de energía pura. El CERN es la fábrica más grande del mundo donde construyen una máquina increíble llamada LHC (Gran Colisionador de Hadrones). Esta máquina es como una pista de carreras circular de 27 kilómetros donde disparan protones (partículas de materia) a velocidades cercanas a la de la luz para que choquen entre sí.

El objetivo de este nuevo informe es buscar algo muy especial: partículas "excitadas".

1. ¿Qué están buscando? (La analogía de la guitarra)

Imagina que el quark top (una partícula muy pesada y famosa) es como una cuerda de guitarra. Normalmente, la cuerda vibra y produce una nota. Pero, ¿qué pasaría si esa cuerda pudiera vibrar de una manera más energética, más "excitada"? En física, a esto le llamamos un estado excitado (o $t^*$).

El equipo del experimento CMS (uno de los dos grandes detectores en el CERN) quiere saber si existen estas versiones "superenergéticas" del quark top. Si existen, serían como una segunda nota más aguda y potente que la cuerda puede producir.

2. ¿Cómo buscan estas partículas? (La fiesta de las colisiones)

Para encontrar estas partículas, los científicos hacen chocar dos trenes de protones a toda velocidad. Cuando chocan, la energía se convierte en materia, creando nuevas partículas.

Buscan un escenario muy específico, como si estuvieran buscando una pareja de baile muy concreta en una fiesta masiva:

• Imagina que se crea un par de estas partículas "excitadas" ($t^*$).
• Una de ellas se desintegra inmediatamente en un fotón (una partícula de luz, como un destello brillante) y un quark top normal.
• La otra se desintegra en un quark top normal y un gluón (la "pegatina" que mantiene unidos a los quarks).

El resultado final es una mezcla de: Dos quarks top + Un destello de luz + Un gluón.

3. El problema: ¡Hay demasiada "basura"!

El problema es que en estas colisiones se producen millones de eventos "normales" (ruido de fondo). Es como intentar encontrar una aguja en un pajar, pero el pajar es un estadio lleno de gente gritando. La mayoría de las colisiones producen solo gluones y quarks comunes, sin el destello de luz (fotón).

Para filtrar el ruido, los científicos usan el fotón como su "linterna mágica". Como es muy raro que las colisiones normales produzcan un fotón tan energético junto con dos quarks top, si ven ese destello brillante, es muy probable que sea una señal de algo nuevo.

4. La tecnología: El "Ojo de Águila" (Machine Learning)

Una vez que tienen el destello de luz, deben identificar los quarks top. Pero estos quarks top viajan tan rápido que sus pedazos se aplastan y se fusionan en un solo "paquete" grande (un chorro de partículas).

Aquí es donde entran en juego los algoritmos de Inteligencia Artificial (llamados PARTICLENET). Imagina que tienes una pila de legos mezclados. Un ojo humano tardaría horas en separar cuáles son de un coche y cuáles de una casa. Pero este algoritmo es como un robot con visión de rayos X que puede decirte instantáneamente: "¡Ese paquete de legos es un coche!". El algoritmo analiza la forma y la energía del paquete para decir: "Esto es un quark top".

5. El resultado: ¿Encontraron algo?

Después de analizar 138 billones de colisiones (datos de 2016 a 2018), los científicos hicieron lo siguiente:

• Reconstructaron la masa de las partículas buscando el destello de luz y el paquete de quarks top.
• Esperaban ver un "pico" o una montaña repentina en sus gráficos, lo que indicaría que encontraron la partícula nueva.

El veredicto: No encontraron la montaña. Los datos se ajustaron perfectamente a lo que predice la teoría actual (el Modelo Estándar). No hubo sorpresas.

6. ¿Entonces, fue un fracaso? (¡Para nada!)

En ciencia, "no encontrar" es también un gran descubrimiento. Es como decir: "Hemos buscado en todo el océano y no hemos encontrado el monstruo marino que decían que existía".

Esto significa que:

1. Si esas partículas "excitadas" existen, son más pesadas de lo que pensábamos.
2. Han establecido un límite: Si existen, deben pesar más de 930 GeV (si son de un tipo) o más de 1330 GeV (si son de otro tipo).
3. Han descartado las versiones más ligeras de estas partículas.

En resumen

Este informe es como un detective que revisa miles de horas de video de una fiesta para encontrar a un intruso. Aunque no encontró al intruso, logró decir con total seguridad: "El intruso, si existe, es más alto y pesado de lo que pensábamos".

Esto ayuda a los físicos a ajustar sus teorías y a saber dónde buscar la próxima vez. ¡La búsqueda de los secretos del universo continúa!

Resumen técnico

Título: Búsqueda de producción en pares de resonancias pesadas en estados finales con un fotón y chorros de gran radio en colisiones protón-protón a $\sqrt{s} = 13$ TeV

1. Planteamiento del Problema

El Modelo Estándar (SM) de la física de partículas, aunque exitoso, deja preguntas fundamentales sin responder, como la naturaleza de la materia oscura y la disparidad entre las fuerzas electrodébil y gravitatoria. Las teorías más allá del Modelo Estándar (BSM), como las dimensiones extra o los escenarios de Higgs compuesto, predicen la existencia de estados excitados del quark top ($t^*$) o compañeros de quarks vectoriales.

• El desafío: Los modos de desintegración dominantes para estos estados suelen ser $T \to bW$, $T \to tZ$ o $T \to tH$. Sin embargo, si el ángulo de mezcla es pequeño, los modos inducidos por bucles, como $t^* \to tg$ (gluón) y $t^* \to t\gamma$ (fotón), pueden volverse relevantes.
• La oportunidad: Aunque la rama de desintegración $t^* \to t\gamma$ se espera que sea suprimida (aprox. 3%) en comparación con $t^* \to tg$ (97%) debido al acoplamiento electromagnético más débil, el canal de señal $pp \to t^*t^* \to tt\gamma g$ ofrece una ventaja crucial: la presencia de un fotón de alta energía reduce drásticamente los fondos del Modelo Estándar en comparación con el canal totalmente hadrónico ($ttgg$).
• Objetivo: Realizar la primera búsqueda en el LHC de producción en pares de resonancias pesadas de espín-1/2 o espín-3/2 en el canal $tt\gamma g$.

2. Metodología

El análisis se basa en datos recopilados por el detector CMS en el LHC entre 2016 y 2018, con una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$ a una energía de centro de masa de 13 TeV.

• Selección de Eventos:

  • Se requiere exactamente un fotón aislado en la región del barril del ECAL ($|\eta| < 1.44$) con $p_T > 240$ GeV.
  • Se excluyen eventos con leptones (electrones o muones) para evitar fondos leptónicos.
  • Se utilizan chorros de gran radio (AK8, $R=0.8$) para reconstruir los quarks top altamente impulsados (boosted) resultantes de la desintegración de resonancias pesadas.
  • Se requiere al menos dos chorros AK8 con $p_T > 300$ GeV. Uno debe estar etiquetado como top ("t-tagged") con una masa de chorro recortada (soft-drop mass, $m_{SD}$) entre 125 y 225 GeV, y otro chiro con $m_{SD} > 50$ GeV.

• Técnicas de Reconstrucción y Etiquetado:

  • Se emplea el algoritmo de aprendizaje automático PARTICLENET, una red neuronal gráfica, para identificar chorros originados en la desintegración hadrónica de quarks top con alta eficiencia (82%) y baja tasa de falsos positivos (0.1%).
  • La masa del candidato a $t^*$ ($m_{\gamma j_1}$) se reconstruye combinando el fotón y el chorro etiquetado como top.

• Estimación de Fondos:

  • Fondo $\gamma$+chorros: Es el dominante (~45%). Se estima directamente a partir de datos utilizando una región de aplicación (AR) sin chorros etiquetados como top y aplicando una tasa de "falsos positivos" (mistag rate) medida en datos para extrapolar a la región de señal.
  • Fondo $h \to \gamma$ (hadrones mal identificados como fotones): Se estima mediante el método de tasas de mal identificación en muestras multijet.
  • Otros fondos ($tt\gamma$, $e \to \gamma$, etc.): Se estiman utilizando simulaciones Monte Carlo (NNLO/NLO) con correcciones de escala y factores de corrección (SF) derivados de datos.

• Análisis Estadístico:

  • Se realiza un ajuste de verosimilitud máxima a la distribución de masa $m_{\gamma j_1}$ en la región de señal (SR) y una región de validación (VR1), incorporando incertidumbres sistemáticas como parámetros de nuisance.

3. Contribuciones Clave

• Primera búsqueda en el canal $tt\gamma g$: Este trabajo presenta la primera búsqueda experimental de resonancias pesadas en este canal específico en colisiones protón-protón.
• Competitividad con canales hadrónicos: A pesar de la pequeña rama de desintegración esperada hacia fotones ($\sim$3%), el análisis demuestra que la supresión de fondos permite alcanzar una sensibilidad competitiva con las búsquedas en el canal $ttgg$ para partículas de espín-1/2.
• Uso avanzado de Machine Learning: La implementación efectiva de PARTICLENET para el etiquetado de top en regímenes de alto impulso transversal es fundamental para la eficiencia de la señal.
• Estrategia de estimación de fondos basada en datos: El uso de regiones de control y aplicación para estimar el fondo dominante ($\gamma$+chorros) minimiza las dependencias de simulaciones teóricas de orden bajo.

4. Resultados

• Observación: No se encontró ninguna desviación significativa respecto a la hipótesis de solo fondo. Se observó una ligera desviación local en la masa alta con una significancia de aproximadamente 2.5 desviaciones estándar, pero no es suficiente para afirmar un descubrimiento.
• Límites de Exclusión (Nivel de Confianza del 95%):
  • Se establecieron límites superiores en la sección eficaz de producción cruzada multiplicada por la rama de desintegración.
  • Espín-1/2: Se excluyen masas de $t^*$ por debajo de 930 GeV (tanto observado como esperado).
  • Espín-3/2: Se excluyen masas de $t^*$ por debajo de 1330 GeV (observado) y 1390 GeV (esperado).
• Comparación: Estos límites son comparables a los obtenidos anteriormente por CMS en el canal $ttgg$ para espín-1/2 (que excluía hasta 1050 GeV), demostrando la viabilidad del canal con fotones.

5. Significado

Este análisis marca un hito en la búsqueda de nueva física asociada al sector del quark top. Al demostrar que el canal $tt\gamma g$ es viable y competitivo, abre una nueva vía de exploración para modelos de física más allá del Modelo Estándar que predicen estados excitados o compañeros vectoriales, especialmente en escenarios donde los modos de desintegración tradicionales están suprimidos. La capacidad de utilizar fotones de alta energía para limpiar el fondo hadrónico confirma la versatilidad de las estrategias de búsqueda en el LHC y establece un precedente para futuras búsquedas en canales semileptónicos o con fotones.