⚛️ high-energy experiments

Search for scalar leptoquarks produced via muon-quark scattering 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 de leptoquarks escalares en la escala de los TeV producidos mediante la dispersión de muones-quarks, sin hallar evidencia de su existencia y estableciendo nuevos límites de exclusión que extienden la cobertura previa a masas entre 1.5 y 3.6 TeV para LQ(u $\mu$ ) y por encima de 1.8 TeV para LQ(b $\mu$ ).

Autores originales: CMS Collaboration

Publicado 2026-08-31

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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

El universo está construido a partir de un pequeño conjunto de ingredientes fundamentales, pero las reglas que rigen cómo interactúan siguen siendo uno de los grandes misterios de la física moderna. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que las familias de partículas conocidas como quarks y leptones no son tan separadas como parecen. Los quarks son los bloques de construcción de los protones y neutrones, mientras que las leptones incluyen al familiar electrón y al elusivo neutrino. Si estos dos grupos están verdaderamente relacionados, debería haber un puente que los conecte: una partícula que pueda convertir un quark en un leptón o viceversa. Este puente hipotético se llama leptoquark. El hallazgo de tal partícula sería un descubrimiento monumental, ofreciendo un vistazo a una simetría más profunda de la naturaleza y explicando potencialmente por qué el universo posee las propiedades específicas que tiene hoy.

Durante décadas, los investigadores han cazado estas partículas, pero no han sido encontradas. Esta ausencia es desconcertante porque muchas teorías que predicen su existencia son convincentes. La búsqueda ha dado ahora un nuevo giro, alejándose del método tradicional de hacer chocar dos protones para crear un par de estas partículas. En su lugar, un equipo de científicos utilizando el detector Compact Muon Solenoid (CMS) en el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza ha buscado un proceso diferente, más sutil. Buscaron un único leptoquark creado cuando un muón, un primo pesado del electrón, dentro de un protón colisiona con un quark dentro del otro protón. Este escenario se basa en el hecho de que los protones no son solo simples bolsas de quarks; son nubes de energía efervescentes donde partículas y antipartículas aparecen y desaparecen constantemente. Ocasionalmente, esta actividad cuántica produce un muón que puede actuar como proyectil en una colisión.

Los investigadores analizaron un conjunto masivo de datos de colisiones registradas entre 2016 y 2018, que corresponden a una luminosidad integrada de 138 femtobarns inversos. Se centraron en eventos donde la colisión produjo un muón de alta energía y un chorro de partículas, que es el spray de escombros dejado atrás cuando un quark es golpeado. Buscaron específicamente casos donde el muón y el chorro parecían provenir de la desintegración de una única partícula pesada. El equipo examinó dos posibilidades principales: un leptoquark que se desintegra en un muón y un quark up, y otro que se desintegra en un muón y un quark bottom. Para encontrar la señal, utilizaron un sofisticado programa informático entrenado para distinguir los patrones sutiles de una potencial nueva partícula del abrumador fondo de las interacciones ordinarias de las partículas. Buscaron un valor de masa específico donde el muón y el chorro aparecerían consistentemente juntos, lo que indicaría la presencia de una nueva partícula.

Tras filtrar los datos, los científicos no encontraron evidencia de un leptoquark. La distribución de las masas del muón y del chorro coincidió perfectamente con las predicciones de la física conocida, sin mostrar picos o protuberancias inesperados que señalaran un nuevo descubrimiento. Aunque esto significa que el leptoquark permanece oculto, el estudio está lejos de ser un fracaso. Al no encontrar la partícula, los investigadores pudieron trazar una línea muy precisa en la arena. Determinaron que, si estas partículas existen, no pueden ser más ligeras de 1.5 a 3.6 billones de electronvoltios, dependiendo de qué tan fuertemente interactúen con otra materia. Este rango cubre masas que anteriormente no estaban restringidas por otros tipos de búsquedas.

Los resultados descartan efectivamente la existencia de estos tipos específicos de leptoquarks dentro de los rangos de masa y fuerza de interacción probados. Para el escenario que involucra un quark up, excluyeron partículas con masas entre 1.5 y 3.6 billones de electronvoltios y fuerzas de interacción entre 0.2 y 0.6. Para el escenario que involucra un quark bottom, excluyeron masas por encima de 1.8 billones de electronvoltios con fuerzas de interacción superiores a 1. Estos límites son significativamente más estrictos que las búsquedas anteriores, que se habían centrado en la creación de pares de leptoquarks en lugar de leptoquarks individuales. El estudio demuestra que el nuevo método de buscar colisiones de muón-quark que producen partículas individuales es una herramienta poderosa, capaz de sondear regiones de la física que antes eran inaccesibles.

La ausencia de un descubrimiento no significa que la búsqueda haya terminado; más bien, refina el mapa de dónde deberían mirar los científicos a continuación. Al empujar los límites de lo que es posible detectar, este trabajo estrecha el campo para futuros experimentos. Si los leptoquarks existen, deben ser más pesados o interactuar más débilmente que los límites establecidos por este análisis. La próxima generación de aceleradores y detectores de partículas necesitará alcanzar energías aún más altas o mayores sensibilidades para encontrarlos. Por ahora, el universo guarda su secreto, pero el camino para encontrarlo se ha vuelto más claro y definido que nunca.

Resumen Técnico: Búsqueda de Leptoquarks Escalares Producidos mediante la Dispersión de Muón-Quark

Problema y Motivación
El Modelo Estándar (SM) describe con éxito las interacciones de las partículas elementales, pero deja sin explicar las similitudes entre las familias de quarks y leptones. Los leptoquarks (LQs), bosones hipotéticos que portan tanto números leptónicos como bariónicos, son predichos por diversas extensiones del SM, incluyendo teorías de gran unificación, modelos compuestos y supersimetría. También se proponen como explicaciones potenciales para las anomalías en los decaimientos semileptónicos de mesones $B$ y el momento magnético anómalo del muón.

Aunque las búsquedas previas en el LHC se han centrado en la producción por pares o en la producción individual no resonante, la producción de LQs mediante procesos inducidos por leptones (específicamente la dispersión de muón-quark) ha sido históricamente difícil de estudiar debido a las incertidumbres en el contenido de leptones del protón. Avances recientes en las Funciones de Distribución de Partones (PDF), particularmente el formalismo LUX, predicen una sección eficaz considerable para la producción individual de LQ mediante la fusión de un muón (generado mediante fluctuaciones cuánticas de un fotón dentro del protón) y un quark del protón opuesto. Este artículo presenta la primera búsqueda de leptoquarks escalares de escala TeV producidos a través de este mecanismo específico de dispersión $\mu q$ .

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón registrados por el detector CMS a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de $138 \text{ fb}^{-1}$ recolectada entre 2016 y 2018.

Hipótesis de Señal: La búsqueda se dirige a LQs escalares con cargas eléctricas de $(1/3)e$ y $(2/3)e$ , que decaen en un muón y un quark arriba (up) ( $LQ(u\mu)$ ) o un quark fondo (bottom) ( $LQ(b\mu)$ ). El análisis asume que el LQ se acopla a un solo sabor de leptón.
Selección de Eventos: Se seleccionan eventos requiriendo al menos un muón de alto momento transversal ( $p_T$ $p_{T}$ ) y al menos un jet. El conjunto de datos se divide en dos Regiones de Señal (SR) basadas en el número de muones reconstruidos: una SR de un muón ( $N_\mu = 1$ $N_{μ} = 1$ ) y una SR de dos muones ( $N_\mu = 2$ $N_{μ} = 2$ ).
- Cortes Cinemáticos: El muón líder debe tener $p_T > 55$ GeV, y el jet líder $p_T > 100$ GeV. La masa invariante del sistema muón-jet ( $M_{\mu j}$ ) debe ser $> 300$ GeV. Se vetan los eventos con electrones para suprimir los fondos de bosones $Z$ .
- Supresión de Fondo: Se entrena un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) para distinguir la señal del fondo (dominado por procesos $W$ +jets, $t\bar{t}$ +jets y Drell-Yan). El BDT utiliza variables cinemáticas como la relación entre el $p_T$ del muón y del jet, ángulos azimutales y el momento transversal faltante.
- Categorización: Los eventos se categorizan además por la puntuación del BDT (estricta vs. laxa) y si el jet líder tiene etiqueta de b-tagging, resultando en ocho categorías distintas de análisis.
Análisis Estadístico: El observable principal es la distribución de la masa invariante $M_{\mu j}$ . Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud simultáneamente en todas las categorías. El fondo del SM se modela utilizando una función empírica ( $B(x) = p_0(1-x)^{p_1}/x^{p_2}$ ), mientras que la señal se modela utilizando plantillas simuladas interpoladas a través de los parámetros de masa ( $M_{LQ}$ ) y acoplamiento ( $\lambda$ ). Los límites superiores se establecen utilizando el criterio de la razón de verosimilitud modificada $CL_s$ .

Contribuciones Clave

Mecanismo de Producción Novedoso: Este trabajo constituye la primera búsqueda experimental de leptoquarks escalares dirigida específicamente a la producción resonante mediante la dispersión de muón-quark, aprovechando el componente de leptones cargados del protón.
Espacio de Parámetros Extendido: El análisis extiende la cobertura de búsqueda para LQs en el plano masa-acoplamiento más allá de los límites previos. Específicamente, apunta a regiones donde la sección eficaz de producción inducida por leptones domina sobre la producción por pares (gran $\lambda$ y alta $M_{LQ}$ ).
Modelado de Fondo Robusto: El estudio emplea una estimación de fondo basada en datos utilizando funciones empíricas flexibles validadas mediante pruebas de inyección de señal, asegurando un sesgo mínimo en la extracción de los límites de señal.

Resultados
Los datos observados concuerdan con las predicciones de solo fondo. No se observa un exceso significativo en el espectro de $M_{\mu j}$ . En consecuencia, se establecen límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) para el producto de la sección eficaz de producción del LQ y su fracción de ramificación al estado final $\mu q$ ( $\sigma \mathcal{B}$ ).

Los resultados excluyen regiones específicas en el plano $(M_{LQ}, \lambda)$ :

Para el escenario $LQ(u\mu)$ : Se excluyen masas entre 1.5 y 3.6 TeV para acoplamientos entre 0.2 y 0.6.
Para el escenario $LQ(b\mu)$ : Se excluyen masas por encima de 1.8 TeV para acoplamientos superiores a 1.

Estas exclusiones mejoran las búsquedas previas de CMS al extender la cobertura hacia regiones donde el mecanismo de producción individual resonante es el modo de producción dominante, un régimen donde las búsquedas de producción por pares tienen una sensibilidad reducida debido a la supresión del espacio de fase.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados representan un paso significativo en la exploración del espacio de parámetros de los leptoquarks al utilizar un mecanismo de producción que anteriormente no había sido explorado debido a las incertidumbres en las PDF. Al demostrar la viabilidad de buscar LQs mediante procesos inducidos por leptones, el análisis proporciona restricciones complementarias a aquellas derivadas de la producción por pares y la producción individual no resonante. La exclusión de amplias regiones en el plano masa-acoplamiento para ambos escenarios, $u\mu$ y $b\mu$ , refuerza las restricciones sobre modelos que predicen leptoquarks acoplados a muones, particularmente aquellos propuestos para explicar las anomalías de los mesones $B$ . El autor señala que los resultados son conservadores, ya que consideran únicamente el mecanismo de producción inducido por leptones, aunque las verificaciones confirman que el análisis sigue siendo sensible incluso si existen otros modos de producción.

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