$t \bar{t}$ production as a window to invisible new physics

Resumen Técnico: La producción de $t\bar{t}$ como una ventana a la nueva física invisible

Problema y Motivación
A pesar de las numerosas propuestas teóricas para la Materia Oscura (DM), no se ha confirmado ninguna observación experimental. Un objetivo principal de las búsquedas actuales es desarrollar métodos para detectar o excluir candidatos de DM, particularmente aquellos que interactúan con el Modelo Estándar (SM) a través de una partícula mediadora. Observaciones recientes de las colaboraciones ATLAS y CMS de un incremento en la sección eficaz de producción de $t\bar{t}$ cerca del umbral han renovado el interés en escenarios más allá del Modelo Estándar (BSM) que involucran mediadores pseudoescalares acoplados a quarks top. Si bien la dinámica del SM puede explicar una parte significativa de este incremento, queda espacio para contribuciones adicionales. Este estudio aborda la necesidad de investigar la sensibilidad a mediadores de DM invisibles producidos en asociación con un par $t\bar{t}$ en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), extendiendo específicamente el trabajo previo sobre mediadores escalares para incluir mediadores de espín-1 (vectorial y axio-vectorial).

Metodología
Los autores emplean un enfoque fenomenológico utilizando el modelo simplificado de DM DMsimp, que incluye mediadores de espín-0 ($Y_0$) y espín-1 ($Y_1$) que interactúan con un sector oscuro de fermiones de Dirac. El análisis se centra en el proceso $pp \to t\bar{t}Y$, donde $Y$ es un mediador invisible con una masa fija de $m_Y = 5$ GeV.

• Generación de Eventos: Las muestras de señal para $pp \to t\bar{t}Y_0$ (espín-0) y $pp \to t\bar{t}Y_1$ (espín-1) fueron generadas usando MadGraph5_aMC@NLO a $\sqrt{s} = 13$ TeV. Las señales de espín-0 fueron generadas a Orden de Perturbación de Orden Líder (LO), mientras que las señales de espín-1 fueron generadas a Orden de Perturbación de Siguiente a Líder (NLO) en QCD para asegurar la precisión a masas bajas del mediador. El análisis considera únicamente el canal de decaimiento dileptónico del sistema $t\bar{t}$ ($t\bar{t} \to b\ell^+\nu_\ell \bar{b}\ell^-\bar{\nu}_\ell$).
• Simulación y Reconstrucción: Los eventos fueron procesados mediante un flujo de partículas (PYTHIA) y una simulación rápida de detector (Delphes) con parámetros de ATLAS. Una característica metodológica clave es la reconstrucción cinemática del sistema $t\bar{t}$ sin reconstruir explícitamente el mediador invisible. Esto implica:
  1. Asignar jets a los quarks $b$ utilizando un Árbol de Decisión Potenciado (BDTG) entrenado con distribuciones a nivel de partones (por ejemplo, $\Delta R$, $\Delta \phi$, $\Delta \theta$ entre leptones y jets $b$) para distinguir entre emparejamientos correctos e incorrectos.
  2. Resolver un sistema de ecuaciones cinemáticas basadas en las restricciones de masa de $W$ y de top, y la energía transversal faltante ($E_T^{miss}$) para reconstruir los momentos de los neutrinos.
• Observables: El estudio utiliza dos observables angulares sensibles a la CP para discriminar entre hipótesis:
  1. $\Delta \phi_{\ell^+\ell^-}$: El ángulo azimutal de diferencia entre los leptones cargados.
  2. $b_4$: Definido como $p_z^t \cdot p_z^{\bar{t}} / (|\vec{p}_t| \cdot |\vec{p}_{\bar{t}}|)$, que representa el producto de los cosenos polares de los quarks top y anti-top en el marco del laboratorio.
• Análisis Estadístico: Se calcularon los límites de exclusión de Nivel de Confianza (CL) para varios escenarios comparando los fondos del SM contra hipótesis de señal que involucran mediadores de espín-0 y espín-1 puros o mixtos.

Contribuciones Clave

1. Extensión a Mediadores de Espín-1: El trabajo extiende los análisis previos de mediadores escalares para incluir mediadores de espín-1 ($Y_1$) con acoplamientos vectorial ($g_V$) y axio-vectorial ($g_A$) a los quarks top.
2. Eficiencia de la Reconstrucción Cinemática: Los autores demuestran que la reconstrucción cinemática completa del sistema $t\bar{t}$ sigue siendo efectiva incluso en presencia de un mediador ligero de espín-1. Aunque la eficiencia de reconstrucción disminuye ligeramente en comparación con el caso de espín-0 (68% para vectorial, 48% para axio-vectorial en $m_Y=5$ GeV), una fracción significativa de eventos sobrevive, lo que sugiere que los análisis estándar de $t\bar{t}$ son sensibles a tales partículas invisibles.
3. Restricciones de Unitaridad Perturbativa: El artículo aborda explícitamente las restricciones impuestas por la unitaridad perturbativa sobre los acoplamientos axio-vectoriales. Destaca que, para mediadores ligeros, la sección eficaz axio-vectorial escala como $1/m_Y^2$ debido a la no conservación de la corriente axial, lo que requiere una correlación entre el acoplamiento $g_A$ y la masa del mediador para permanecer dentro de los límites perturbativos.
4. Poder de Discriminación: El estudio cuantifica la capacidad de los observables angulares para distinguir entre diferentes hipótesis de espín y CP (escalar, pseudoescalar, vectorial, axio-vectorial).

Resultados

• Límites de Exclusión: Para una luminosidad integrada de $3000 \text{ fb}^{-1}$ (HL-LHC), el análisis establece límites de exclusión estrictos para los acoplamientos $g_V/g_V^{SM}$ y $g_A/g_A^{SM}$. Los límites para los acoplamientos axio-vectoriales son significativamente más fuertes que para los acoplamientos vectoriales debido a la mayor sección eficaz.
• Sensibilidad de los Observables:
  • El observable $b_4$ se identifica como la sonda más sensible para distinguir la naturaleza de paridad (P) de los mediadores de espín-1 (distinguiendo entre vectorial y axio-vectorial) y para excluir componentes escalares en presencia de un mediador vectorial.
  • El observable $\Delta \phi_{\ell^+\ell^-}$ resulta más efectivo para distinguir componentes pseudoescalares de mediadores vectoriales, ya que las distribuciones de $b_4$ para los casos vectorial y pseudoescalar son demasiado similares.
• Análisis de Escenarios:
  • Escenario 1 (Nulo del SM): El análisis puede excluir la presencia de mediadores de espín-1 con acoplamientos significativamente por debajo de los valores de referencia.
  • Escenarios 2 y 3 (Nulo de Descubrimiento): Asumiendo un descubrimiento de un mediador puramente vectorial o axio-vectorial, el estudio muestra que los observables angulares pueden restringir eficazmente la presencia de estados mixtos (por ejemplo, vectorial + escalar, vectorial + pseudoescalar). Sin embargo, distinguir un mediador puramente vectorial de uno pseudoescalar sigue siendo un desafío a bajas luminosidades ($200 \text{ fb}^{-1}$), particularmente si el acoplamiento vectorial es pequeño.
• Restricciones del Higgs: Un apéndice deriva un límite sobre el acoplamiento vectorial $g_V$ a partir de la anchura de decaimiento invisible del Higgs ($h \to Y_1 Y_1$) vía un bucle de quark top. El límite resultante ($|g_V| \lesssim 1.04$) resulta ser más débil que los límites de exclusión derivados del análisis de $t\bar{t}$ a alta luminosidad.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma que los estados finales de $t\bar{t}$ en el LHC sirven como un marco poderoso no solo para la búsqueda de partículas invisibles, sino también para caracterizar sus propiedades fundamentales (espín y paridad) en caso de un descubrimiento. Los autores enfatizan que:

• Las técnicas de reconstrucción cinemática utilizadas en los análisis estándar de $t\bar{t}$ son lo suficientemente robustas como para retener la sensibilidad a eventos que contienen mediadores invisibles ligeros.
• Los observables angulares sensibles a la CP proporcionan el poder de discriminación necesario para diferenciar entre escenarios vectoriales, axio-vectoriales, escalares y pseudoescalares.
• Si bien la alta luminosidad (HL-LHC) mejora significativamente la capacidad de distinguir entre hipótesis, ciertas regiones del espacio de parámetros (por ejemplo, distinguir un vectorial puro de un pseudoescalar a bajos acoplamientos) permanecen sin restringir, lo que implica que las partículas invisibles podrían existir en eventos de $t\bar{t}$ sin producir firmas claramente distinguibles en este canal específico por sí solo.
• Los resultados resaltan la complementariedad de las búsquedas de $t\bar{t}$ con otras sondas, como las mediciones de la anchura invisible del Higgs, para restringir sectores oscuros "top-philic".