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First Search for Quirks at the LHC with FASER

Utilizando datos del LHC de 2022–2024 con una luminosidad integrada de 186 fb⁻¹, el experimento FASER llevó a cabo su primera búsqueda de quirks y, al no encontrar eventos, estableció los primeros límites de exclusión para quirks con masas por encima de la escala débil a través de un amplio rango de escalas de confinamiento de infracolor.

Autores originales: FASER Collaboration

Publicado 2026-07-30

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CC BY 4.0

Autores originales: FASER 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 un gigantesco juego de LEGO cósmico. Durante décadas, los científicos han estado construyendo modelos con las piezas que conocen: los diminutos ladrillos del Modelo Estándar que componen todo, desde tu taza de café hasta las estrellas. Pero hay una sensación persistente de que al manual de instrucciones le faltan algunas páginas. ¿Por qué la gravedad es tan débil en comparación con las otras fuerzas? ¿Qué es esa "materia oscura" invisible que mantiene unidas a las galaxias? Para responder a estas preguntas, los físicos suelen imaginar un mundo oculto y paralelo de partículas y fuerzas que son demasiado tímidas para aparecer en nuestros experimentos cotidianos. Uno de los personajes más intrigantes en este mundo oculto es una partícula hipotética llamada "quirk". Piensa en un quirk no como un solo ladrillo, sino como una pareja de bailarines unidos por una banda elástica invisible y súper fuerte. A diferencia de las partículas normales que se desplazan a la velocidad de la luz, estos bailarines son pesados y lentos. Debido a que están unidos, no solo vuelan en línea recta; se tambalean y oscilan mientras se mueven, dejando un rastro extraño y lento que no se parece en nada a los sospechosos habituales del zoológico de partículas. Encontrarlos sería como descubrir una nueva especie de animal que se mueve de una manera que nadie ha visto antes, demostrando que el universo es mucho más creativo de lo que sugieren nuestros planos actuales.

Esto es exactamente lo que la colaboración FASER se propuso hacer en su último artículo, "First Search for Quirks at the LHC with FASER". Tomaron un acelerador de partículas gigante y de alta velocidad —el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)— y lo utilizaron para colisionar protones, con la esperanza de crear estos esquivos pares de quirks. Sin embargo, el equipo no buscó los quirks justo en el lugar del choque. En su lugar, colocaron un detector especializado llamado FASER 480 metros abajo en el túnel, oculto tras un enorme escudo de roca e imanes. Esta configuración actúa como un tamiz cósmico: bloquea casi todos los escombros ordinarios de las colisiones, dejando pasar solo a las partículas más obstinadas y rápidas (como neutrinos y muones), junto con cualquier potencial quirk.

Los investigadores analizaron una enorme cantidad de datos recolectados entre 2022 y 2024, equivalentes a 186 "femtobarns inversos" de colisiones de protones a una energía de 13.6 TeV. Buscaban una firma muy específica: pares de partículas que llegan tarde (porque son lentas) y dejan una señal de doble carga (porque hay dos de ellas moviéndose juntas). Utilizaron los centelleadores del detector —sensores que se iluminan cuando las partículas cargadas pasan a través de ellos— para medir exactamente cuándo llegaron las partículas y cuánta carga transportaban. Al comparar el tiempo de llegada contra la velocidad de la luz, pudieron detectar cualquier intruso en "cámara lenta".

¿El resultado? El detector no vio nada. Ni un solo quirk. La búsqueda fue increíblemente limpia, con casi nada de ruido de fondo que confundiera los resultados. Debido a que encontraron cero eventos donde esperaban ver algunos si los quirks existieran, el equipo pudo trazar una línea muy firme en la arena. Ahora han descartado la existencia de quirks con masas por encima de la "escala débil" (un rango específico de pesadez) para una amplia variedad de fuerzas de fuerza invisible, específicamente para escalas de confinamiento entre 300 eV y 100 keV. En términos sencillos, si los quirks existen, son mucho más pesados o se comportan de una manera completamente diferente a los modelos que el equipo probó. Si bien esto no es el descubrimiento de una nueva partícula, es un gran paso adelante en el mapeo de lo desconocido: al demostrar que los quirks no se esconden en este rincón particular del universo, el equipo de FASER ha ayudado a los científicos a estrechar la búsqueda del próximo gran avance en la física.

Resumen Técnico: Primera búsqueda de "quirks" en el LHC con FASER

Problema y Motivación
El Modelo Estándar (SM) de la física de partículas, aunque exitoso, no logra resolver el problema de la jerarquía de gauge y carece de un candidato viable para la materia oscura fría. Las extensiones que involucran nuevos grupos de gauge no abelianos están teóricamente motivadas, particularmente por modelos de "naturalidad neutral" donde los socios del top no coloreados, cargados bajo un grupo de gauge oculto, pueden mejorar el problema de la jerarquía. Una clase específica de tales extensiones involucra "quirks" (extraños)—partículas de materia hipotéticas cargadas bajo un nuevo grupo de gauge de tipo QCD conocido como infracolor (IC). Mientras que los glueballs de IC son candidatos viables para la materia oscura, este marco aborda el problema de la jerarquía, la búsqueda directa de colliders para los quirks ha sido escasa. Las búsquedas previas se limitaron al Tevatron (Colaboración DØ), y ninguna búsqueda dedicada se ha realizado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), a pesar de las estrategias propuestas para ATLAS, CMS y LHCb.

Metodología
Este análisis presenta la primera búsqueda de quirks en el LHC utilizando datos recolectados por el detector FASER entre 2022 y 2024. El estudio utiliza una luminosidad integrada de 186 fb⁻¹ de colisiones protón-protón a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13.6$ TeV.

Modelo de Señal: El análisis adopta un modelo de referencia donde los quirks transforman bajo la representación $(1, 1, -1, N_{IC})$ de $SU_C(3) \times SU_L(2) \times U_Y(1) \times SU(N_{IC})$ , con $N_{IC} = 2$ . Esto corresponde a cargas de gauge del SM idénticas a los leptones cargados de la mano derecha. El modelo está definido por la masa del quirk ( $m_Q$ ) y la escala de confinamiento de IC ( $\Lambda$ ). Los pares de quirks se producen mediante procesos Drell-Yan (mediados por fotones o bosones $Z$ ) y, para $\Lambda \ll m_Q$ , permanecen ligados por la fuerza de IC. Oscilan alrededor de su centro de masa común, resultando en trayectorias que son distintas de las partículas del SM. Crucialmente, su alta masa y la fuerza de IC redirigen la velocidad hacia oscilaciones transversales, reduciendo significativamente su velocidad longitudinal por debajo de la velocidad de la luz ( $c$ ).
Detector y Simulación: FASER, ubicado 480 m aguas abajo del punto de interacción de ATLAS, está protegido de la mayoría de las partículas del SM por imanes dipolares del LHC y más de 100 m de roca, lo que lo hace ideal para detectar partículas de larga vida y movimiento lento. El detector incluye un espectrómetro de seguimiento, un calorímetro electromagnético de muestreo y ocho centelladores.
- Simulación: Los eventos de señal se simularon usando MadGraph5 aMC@NLO interfaces con Pythia 8 (ajuste LHCb) para el choque de partones, con correcciones de normalización aplicadas basadas en las mediciones de producción de bosones $Z$ hacia adelante de LHCb. La propagación de los quirks a través del material y campos magnéticos se simuló analíticamente para $\Lambda > 3$ keV (donde las fuerzas de IC dominan) y vía Geant4 para las interacciones con el detector.
- Fondos: Los principales fondos son "muones que atraviesan" (que depositan carga en todos los centelladores) y eventos "con codo" (lluvias secundarias inducidas por muones). Los muones cósmicos y los fondos inducidos por el haz resultaron ser insignificantes.
Criterios de Selección:
- Seguimiento (Tracking): Los eventos requirieron segmentos de trayectoria en las estaciones de seguimiento de aguas arriba y aguas abajo. Se ajustó una elipse a la distribución de impactos en el tracker para rechazar eventos tipo lluvia (requiriendo que el semieje menor sea $< 3$ cm) y asegurar que la trayectoria permaneciera dentro de la región fiducial.
- Carga: Se optimizó una ventana de "Carga tipo Quirk" (QLC) para cada centellador. Mientras que un solo muón típicamente deposita carga siguiendo una distribución de Landau, un par de quirks deposita aproximadamente el doble de carga. Los eventos de señal debían exhibir QLC en los ocho centilladores.
- Tiempo y Velocidad: El tiempo de los centilladores se calibró según el tiempo de llegada de los muones viajando a $c$ . Una regresión lineal del tiempo de llegada versus la posición produjo el tiempo de llegada ( $t_0$ ) y la velocidad ( $\beta = v/c$ ). Se requirió que los eventos tuvieran $\beta > 0.6$ y cayeran fuera de regiones específicas "en tiempo" definidas por elipses gaussianas 2D en el plano $(t_0, \beta)$ . Estas elipses excluyeron el grueso de los muones que atraviesan y los fondos de cubetas satélite (protones en cubetas de RF adyacentes).
- Estimación de Fondo: El fondo residual de muones que atraviesan en la región de señal se estimó usando un método ABCD basado en datos, asumiendo una correlación insignificante entre carga y tiempo. El fondo de eventos "con codo" se estimó extrapolando la cola de ley de potencia de los eventos no gaussianos en la elipse de tiempo principal.

Resultados Clave

Observación: No se observaron eventos en la región de señal definida por el análisis.
Fondo: El fondo estimado en la región de señal fue de $0.046 \pm 0.010$ eventos para el periodo 2022–2023 y $0.082 \pm 0.014$ eventos para el periodo 2024. El fondo total esperado es consistente con cero dentro de las incertidumbres.
Límites de Exclusión: El resultado nulo conduce a los primeros límites de exclusión para los quirks en el LHC. El análisis excluye masas de quirks por encima de la escala débil para escalas de confinamiento de IC en el amplio rango de $300 \text{ eV} < \Lambda < 100 \text{ keV}$ .

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma ser la primera búsqueda directa de quirks en el LHC, llenando un vacío dejado por las búsquedas previas del Tevatron y las estrategias propuestas pero no ejecutadas del LHC. Al utilizar la geometría frontal única y el blindaje de FASER, este análisis aprovecha la firma cinemática distintiva de los quirks —específicamente su velocidad lenta y sus trazas electromagnéticas exóticas— para lograr una búsqueda casi libre de fondo. Los resultados proporcionan las primeras restricciones experimentales sobre modelos de quirks con masas por encima de la escala débil y escalas de confinamiento entre 300 eV y 100 keV, avanzando significativamente en la búsqueda de sectores no abelianos ocultos y posibles soluciones al problema de la jerarquía de gauge.

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