⚛️ high-energy experiments

Search for top quark flavor-changing neutral currents in multilepton final states using an effective field theory approach in proton--proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb $^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s}$ = 13 TeV recolectados por el detector CMS, este estudio presenta la primera búsqueda global simultánea de corrientes neutras que cambian el sabor del quark top dentro del marco de la teoría de campo efectivo del Modelo Estándar, estableciendo los límites más estrictos hasta la fecha sobre los coeficientes de Wilson relevantes y las fracciones de ramificación de decaimiento sin observar evidencia alguna de tales interacciones.

Autores originales: CMS Collaboration

Publicado 2026-08-21

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CC BY 4.0

Autores originales: CMS 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

En el universo de la física subatómica, existe un conjunto de reglas conocidas como el Modelo Estándar que describe cómo interactúan los componentes más pequeños de la materia. Durante décadas, este modelo ha sido notablemente exitoso, aunque deja algunas preguntas sin respuesta. Uno de los misterios más persistentes involucra al quark top, la partícula elemental más pesada conocida. Según el Modelo Estándar, un quark top casi nunca debería cambiar su identidad a un quark más ligero, como un quark up o un quark charm, sin intercambiar parejas con una partícula cargada. Esta restricción es tan estricta que se predice que tal evento ocurriría con tanta poca frecuencia que es efectivamente imposible de observar. Sin embargo, muchos físicos sospechan que esta regla podría romperse por nuevas fuerzas o partículas no descubiertas que existen más allá de nuestro entendimiento actual. Si alguna vez se viera a un quark top cambiar su sabor sin un intercambio de carga, sería una señal clara de que el Modelo Estándar está incompleto y de que hay nueva física esperando ser descubierta.

Un equipo de científicos que trabaja con el detector CMS en el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza ha llevado a cabo la búsqueda más exhaustiva hasta la fecha de estos eventos raros. Analizaron una colección masiva de datos de colisiones protón-protón, que representa una exposición total de 138 femtobarns inversos, lo que corresponde a la cantidad de datos recolectados durante varios años de operación a un nivel de energía de 13 tera-electrónvoltios. En lugar de buscar solo un tipo específico de nueva interacción, los investigadores lanzaron una red amplia utilizando un marco llamado Teoría de Campo Efectivo del Modelo Estándar. Este enfoque permite probar una vasta cantidad de posibles nuevas interacciones simultáneamente, tratándolas como pequeños ajustes a las leyes conocidas de la física en lugar de asumir la existencia de una sola partícula nueva. Se centraron su búsqueda en una firma específica y desafiante: colisiones que produjeron tres o más partículas cargadas conocidas como leptones, que incluyen electrones y muones, que a menudo portan la misma carga eléctrica.

Los investigadores cribaron miles de millones de eventos de colisión para encontrar los pocos que coincidían con sus criterios. Buscaban un patrón muy específico donde un quark top pudiera haber interactuado con un bosón, como un bosón de Higgs o un bosón Z, o directamente con un par de leptones, causando que decayera de una manera inusual. Para distinguir estas señales raras del abrumador fondo de colisiones ordinarias, el equipo utilizó algoritmos computacionales sofisticados entrenados para reconocer las sutiles diferencias en la energía y la dirección de las partículas producidas. Organizaron los datos en diferentes categorías basadas en el número de jets, que son chorros de partículas creados por quarks, y el número de jets con etiqueta b (b-tagged), que son jets identificados como probables procedentes de un quark bottom. Esta cuidadosa clasificación permitió aislar las regiones donde una nueva señal sería más visible.

Después de realizar su análisis, los científicos no encontraron evidencia de las corrientes neutras de cambio de sabor que estaban buscando. Los datos coincidieron perfectamente con las predicciones del Modelo Estándar, sin desviaciones significativas que sugirieran nueva física. Este resultado es significativo porque establece los límites más estrictos hasta ahora sobre la frecuencia con la que un quark top puede cambiar su sabor a través de estas interacciones específicas. Al probar veinticuatro parámetros teóricos diferentes al mismo tiempo, el equipo estableció un nuevo referente global para futuros experimentos. Aunque no encontraron las nuevas partículas que esperaban, su trabajo descarta efectivamente una amplia gama de posibilidades sobre cómo la nueva física podría manifestarse en el sector del quark top. El estudio confirma que, dentro de la precisión de sus mediciones, el quark top se comporta exactamente como predice el Modelo Estándar, manteniendo la puerta cerrada a muchas teorías que sugerían lo contrario.

Resumen Técnico: Búsqueda de corrientes neutras con cambio de sabor del quark superior en estados finales multileptónicos

Problema y motivación
En el Modelo Estándar (ME), los procesos de corriente neutra con cambio de sabor (FCNC, por sus siglas en inglés) que involucran al quark superior están altamente suprimidos por el mecanismo de Glashow–Iliopoulos–Maiani, con fracciones de ramificación predichas del orden de $O(10^{-12})$ o menores. Sin embargo, varias extensiones del ME, como la supersimetría que viola la paridad R o modelos con sectores de Higgs extendidos, predicen tasas de FCNC aumentadas que podrían ser observables en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Si bien búsquedas previas realizadas por las colaboraciones ATLAS y CMS han investigado las interacciones FCNC del quark superior mediadas por partículas específicas (Higgs, gluón, fotón o bosón Z) de forma individual, estos estudios típicamente omiten correlaciones o efectos de interferencia entre diferentes mediadores y no consideran las FCNC que surgen directamente de estados más allá del Modelo Estándar (BSM). Este análisis aborda estas limitaciones realizando una búsqueda global dentro del marco de la Teoría de Campos Efectiva del Modelo Estándar (SMEFT), restringiendo simultáneamente todos los operadores relevantes.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón–protón recolectados por el detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 138 fb $^{-1}$ . La búsqueda se dirige a estados finales multileptónicos que contienen ya sea dos leptones cargados de la misma signatura ( $2\ell_{ss}$ ) o tres leptones ( $3\ell$ ), requiriendo exactamente un jet con etiqueta $b$ .

Marco Teórico: El estudio emplea el formalismo SMEFT, extendiendo el Lagrangiano del ME con operadores de dimensión seis. Se centra en un conjunto reducido de 24 coeficientes de Wilson (WC) que median directamente las interacciones FCNC en el sector del quark superior ($tu $y$ tc$ transiciones). Estos incluyen operadores que involucran dos quarks y un bosón (Higgs, W, Z, fotón, gluón) y operadores que involucran dos quarks y dos leptones. Para reducir los parámetros libres, el análisis asume fuerzas de acoplamiento iguales para los campos de quark superior de mano izquierda y derecha, así como un WC común para los tres sabores de leptones cargados en los operadores de dos quarks–dos leptones.
Selección y Categorización de Eventos: Los eventos se categorizan según la multiplicidad de leptones y la masa invariante. El canal $3\ell$ se subdivide además en categorías "on-Z" (que contiene un par de leptones de signo opuesto y mismo sabor con masa invariante cercana a $m_Z$ ) y "off-Z" (masa invariante alejada de $m_Z$ ) para distinguir entre procesos mediados por Z y operadores de dos quarks–dos leptones. Las regiones de señal (SR) se definen por exactamente un jet $b$ , mientras que las regiones de control (CR) con más de un jet $b$ se utilizan para restringir los fondos.
Extracción de la Señal: Se construyen discriminantes multivariantes utilizando Árboles de Decisión Potenciados (BDT). Las características de entrada incluyen variables cinemáticas de leptones, jets y jets $b$ , así como la cinemática reconstruida del quark superior y del bosón (Higgs o Z) derivada del algoritmo de reconstrucción "jigsaw". Los BDT se entrenan para separar las señales FCNC de los fondos irreducibles del SM (por ejemplo, $t\bar{t}W$ , $t\bar{t}Z$ , dibosones) y fondos reducibles (leptones no prompt, identificación errónea de carga, conversiones de fotones).
Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud por compartimentos (binned maximum likelihood fit) simultáneo a través de todas las categorías y periodos de toma de datos. El rendimiento esperado de la señal se parametriza como una función cuadrática de los 24 WC. Las incertidumbres sistemáticas, incluyendo efectos experimentales (luminosidad, eficiencias de leptones/jets) e incertidumbres teóricas (PDFs, variaciones de escala, secciones eficaces de fondo), se tratan como parámetros de molestia (nuisance parameters). Los intervalos de confianza se derivan mediante escaneos de verosimilitud de perfil.

Contribuciones Clave

Ajuste Global SMEFT: Este trabajo presenta la primera búsqueda global de FCNC del quark superior dentro del marco SMEFT donde todos los operadores relevantes son restringidos simultáneamente en un solo ajuste a los datos.
Sonda Directa de Operadores de Dos Quarks–Dos Leptones: El análisis proporciona las primeras restricciones experimentales directas sobre los procesos FCNC mediados por operadores de dos quarks–dos leptones, una clase de interacciones previamente no explorada en este contexto.
Marco Unificado: Al tratar los modos de producción y decaimiento simultáneamente y tener en cuenta la interferencia y las correlaciones, el análisis establece un marco para futuras mediciones y combinaciones en el LHC.

Resultados
No se observó evidencia de interacciones FCNC; los datos son consistentes con la predicción del SM. El análisis establece intervalos de confianza del 68% y 95% para todos los 24 coeficientes de Wilson.

Coeficientes de Wilson: Se establecen límites en los coeficientes asociados con las transiciones $tu $y$ tc$, incluyendo aquellos mediados por el Higgs ( $c_{t\phi}$ ), el bosón Z ( $c_{tZ}$ , $c_{\phi Q}$ , $c_{\phi t}$ ), el fotón ( $c_{tA}$ ), el gluón ( $c_{tG}$ ) y los operadores de cuatro fermiones ( $c_{t\ell}$ , $c_{te}$ , etc.).
Fracciones de Ramificación: Los límites sobre los coeficientes de Wilson se traducen en restricciones sobre las fracciones de ramificación de decaimiento FCNC del quark superior. Los resultados imponen los límites más estrictos hasta la fecha sobre las fracciones de ramificación de decaimiento del quark superior vía interacciones de dos quarks–dos leptones. Los límites superiores sobre $B(t \to Hq)$ y $B(t \to Zq)$ dentro del marco EFT resultan ser similares o más restrictivos que los resultados previos basados en acoplamientos anómalos.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados constituyen las primeras restricciones simultáneas sobre el conjunto completo de operadores de FCNC del quark superior relevantes en el SMEFT. Al proporcionar un referente global, el análisis facilita futuras combinaciones de mediciones de FCNC del quark superior en el LHC. Además, ofrece las primeras restricciones experimentales directas sobre los procesos FCNC mediados por operadores de dos quarks–dos leptones, expandiendo significativamente el alcance de la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar en el sector del quark superior.

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