⚛️ high-energy experiments

Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances with b jets in the final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 136 fb $^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV, la colaboración CMS presenta la primera búsqueda de producción por pares resonante y no resonante de resonancias de dijets que decaen en quarks b y de sabor ligero, estableciendo límites de exclusión para top squarks y modelos de diquarks mientras observa excesos locales con significancias de hasta 2.6 desviaciones estándar.

Autores originales: CMS Collaboration

Publicado 2026-09-21

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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

El universo está construido sobre un conjunto de reglas conocidas como el Modelo Estándar, un marco que describe con éxito las partículas fundamentales y las fuerzas que componen todo lo que vemos. Sin embargo, los físicos saben que esta imagen es incompleta. No puede explicar la gravedad, la naturaleza de la materia oscura o por qué hay más materia que antimateria en el cosmos. Para encontrar las piezas faltantes, los científicos en el Gran Colisionador de Hadrones hacen chocar protones entre sí casi a la velocidad de la luz, creando una lluvia de nuevas partículas que podrían revelar una capa oculta de la realidad. Entre las teorías más prometedoras se encuentran aquellas que predicen la existencia de partículas pesadas e inestables que se descomponen en chorros (jets) de materia ordinaria. Mientras que los científicos han buscado durante mucho tiempo la ruptura de una sola partícula pesada, un escenario más complejo implica la creación de pares de estas partículas pesadas, que luego se desintegran en aún más escombros. Esta búsqueda específica busca una firma rara: dos pares de chorros de partículas, donde cada par contiene un quark fondo pesado, un tipo de materia que es más pesada y rara que los protones y neutrones comunes en nuestro mundo cotidiano.

En un estudio reciente, la Colaboración CMS en el CERN examinó una vasta colección de datos de colisiones para cazar estos pares elusivos. Analizaron 138 unidades de datos, conocidos como femtobarns, recolectados de colisiones de protones-protones a una energía de 13 tera-electrónvoltios. El equipo buscaba dos posibilidades distintas. La primera era un proceso no resonante, donde dos partículas pesadas se crean de forma independiente y simultánea, cada una descomponiéndose en un quark fondo y un quark más ligero. La segunda posibilidad involucraba un proceso resonante, donde se crea primero una única partícula madre, aún más pesada, que luego se divide en las dos partículas intermedias antes de que estas se descompongan más allá. En ambos escenarios, el resultado final serían cuatro chorros distintos de energía, con dos de ellos originados a partir de quarks fondo. Los investigadores utilizaron algoritmos sofisticados para identificar estos quarks fondo y para reconstruir la masa de las partículas originales a partir de la energía de los chorros resultantes.

El análisis se centró en encontrar un "bulto" o un exceso localizado en los datos que pudiera destacar contra el fondo suave y predecible de las colisiones de partículas ordinarias. El ruido de fondo es inmenso, generado por la producción constante de chorros en interacciones cuánticas estándar, pero los investigadores desarrollaron un método para modelar este fondo directamente desde los datos mismos, en lugar de depender únicamente de las predicciones teóricas. Clasificaron los eventos basándose en la relación entre la masa de los pares de dos chorros y la masa total de los cuatro chorros, una técnica que ayudó a separar las señales potenciales del abrumador fondo. Tras filtrar los datos, el equipo no encontró evidencia definitiva de nuevas partículas. Los resultados no mostraron un pico claro y estadísticamente significativo que confirmara la existencia de las resonancias pesadas predichas.

Sin embargo, la ausencia de un descubrimiento permitió a los científicos establecer límites estrictos sobre lo que podría existir. Determinaron que si ciertos tipos de partículas pesadas, específicamente aquellas predichas por un modelo que involucra la violación de una simetría llamada paridad-R, existen, deben ser más pesadas que 0.8 tera-electrónvoltios. Este hallazgo descarta efectivamente la existencia de estas partículas en el rango de masa inferior que experimentos previos aún no habían explorado completamente. Del mismo modo, la búsqueda resonante que involucra partículas diquark pesadas excluyó masas entre 2 y 7 tera-electrónvoltios. Estos límites son los primeros de su tipo para este tipo específico de desintegración de partículas que involucra quarks fondo, empujando la frontera de lo que se conoce sobre la posible masa de la nueva física.

Aunque la búsqueda principal no dio frutos, los datos contenían algunas fluctuaciones intrigantes. En la búsqueda de producción no resonante, la desviación más notable del fondo esperado apareció en una masa de 1.0 tera-electrónvoltio, con una significancia estadística de 2.1 desviaciones estándar. En la búsqueda resonante, se observó una fluctuación ligeramente mayor en una masa de cuatro chorros de 3.1 tera-electrónvoltios, correspondiente a una significancia de 2.6 desviaciones estándar. En el lenguaje de la física de partículas, estos números indican que, si bien los datos se veían ligeramente diferentes de la predicción del fondo en estos puntos específicos, el efecto no es lo suficientemente fuerte como para ser considerado un descubrimiento. Tales fluctuaciones ocurren ocasionalmente debido a variaciones estadísticas aleatorias, y los investigadores enfatizan que no constituyen una prueba de nuevas partículas.

El estudio también destacó un evento específico con la energía más alta registrada en el conjunto de datos, donde los cuatro chorros combinados alcanzaron una masa de 5.5 tera-electrónvoltios. Este único evento, que ocurrió en 2018, contenía dos pares de chorros que eran casi idénticos en masa y estaban alineados de una manera que coincidía con las expectativas teóricas para la señal. A pesar de su apariencia llamativa, este evento no fue suficiente para invalidar la conclusión general, ya que el resto de los datos no respaldaba una señal consistente en ese nivel de energía. Los investigadores señalaron que este evento apareció en la cola de alta masa de la distribución, una región donde las fluctuaciones estadísticas son más probables de ocurrir.

En última instancia, este trabajo representa un paso significativo adelante en la búsqueda de la física más allá del Modelo Estándar. Al extender la búsqueda para incluir quarks fondo y al cubrir un amplio rango de masas, la colaboración ha cerrado la puerta a varias posibilidades teóricas que antes estaban abiertas. Los resultados proporcionan un mapa más claro del paisaje energético, diciéndole a los científicos dónde no están las nuevas partículas, lo cual es tan valioso como encontrar dónde podrían estar. La búsqueda continúa, con el Gran Colisionador de Hadrones recolectando más datos, pero por ahora, el universo permanece silencioso sobre la existencia de estos pares de partículas pesadas específicos.

Resumen Técnico: Búsqueda de la producción resonante y no resonante de pares de resonancias de dijets con jets b

Problema y Motivación
Este artículo presenta una búsqueda de fenómenos de nueva física que involucran la producción por pares de resonancias de dijets ( $X$ ) en colisiones protón-protón a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV. Mientras que las búsquedas estándar para resonancias de dijet simples están bien establecidas, la producción de pares de tales resonancias (que da lugar a cuatro jets resueltos en el estado final) representa un proceso más complejo predicho por varias teorías más allá del Modelo Estándar (BSM). Específicamente, este análisis se dirige a escenarios donde cada resonancia de dijet decae en un quark fondo ( $b$ ) y un quark de sabor ligero, lo que resulta en un estado final de dos jets $b$ y dos jets ligeros ( $pp \to XX \to (bj)(bj)$ ).

La motivación para centrarse en el estado final de jets $b$ surge de búsquedas previas de CMS que no utilizaron el etiquetado de sabor (flavor tagging). Esas búsquedas sin etiquetado observaron excesos locales con significancias de 3.6–3.9 desviaciones estándar (s.d.) en regiones de masa específicas (por ejemplo, una resonancia de dijet de 0.95 TeV en producción no resonante y una resonancia de cuatro jets de 3.6 TeV en producción resonante). Este análisis extiende esas investigaciones incorporando el etiquetado de $b$ para probar escenarios de sabor pesado, tales como la supersimetría con ruptura de R-paridad (RPV) y modelos de diquarks, que predicen tales topologías de decaimiento.

Metodología
El análisis utiliza un conjunto de datos correspondiente a una luminosidad integrada de 138 fb $^{-1}$ , recolectada por el detector CMS. La búsqueda se divide en dos escenarios físicos distintos:

Producción No Resonante: La producción directa de resonancias de dijet de espín 0 ( $X$ ), modelada mediante RPV supersimétrica donde los top squarks ( $\tilde{t}$ ) decaen en un quark $b$ y un quark $s$ .
Producción Resonante: La producción de una resonancia intermedia pesada ( $Y$ ) que decae en un par de resonancias de dijet ( $Y \to XX$ ), modelada mediante un escenario de diquark-a-diquarks (D2D) donde un diquark escalar pesado ( $S_{uu}$ ) decae en dos diquarks escalares más ligeros ( $S_{2/3}$ ).

Selección de Eventos y Reconstrucción:

Triggers y Jets: Los eventos se seleccionan utilizando triggers de alto $H_T$ . El análisis offline reconstruye los jets utilizando el algoritmo anti- $k_T$ con un parámetro de distancia de 0.4. Los cuatro jets principales deben tener $p_T > 80$ GeV y $|\eta| < 2.4$ (o 2.5 dependiendo del año de toma de datos).
Emparejamiento: Los cuatro jets se emparejan en dos sistemas de dijet para minimizar la separación $\Delta R$ , optimizando la reconstrucción de la masa de la resonancia.
Etiquetado de Sabor: Se emplea el algoritmo DEEPJET para identificar los jets $b$ . El análisis requiere al menos un jet $b$ en cada uno de los dos sistemas de dijet, utilizando un punto de trabajo "medio" con una eficiencia de $\approx 75\%$ y una tasa de identificación errónea de sabor ligero de $\approx 1\%$ .
Variables Cinemáticas: La búsqueda se realiza en el plano de la masa invariante de cuatro jets ( $m_{4j}$ ) y la masa promedio de dijet ( $m_{2j}$ ). Para mitigar las correlaciones entre estas variables, el análisis clasifica los datos en la razón adimensional $\alpha = m_{2j}/m_{4j}$ .
Estimación del Fondo: El fondo dominante (producción de multijets QCD) se estima directamente de los datos utilizando un ajuste de solo fondo. Se ajustan formas funcionales empíricas (Dijet-3p, ModDijet-3p, PowExp-3p) a los espectros de $m_{2j}$ (no resonante) y $m_{4j}$ (resonante). La elección de la forma funcional se trata como una incertidumbre sistemática mediante el método de perfilado discreto.

Contribuciones Clave y Resultados
Este trabajo representa la primera búsqueda en el LHC de la producción resonante de pares de resonancias de dijet totalmente resueltas con jets $b$ en el estado final, donde todas las resonancias corresponden a estados no pertenecientes al Modelo Estándar.

Búsqueda No Resonante:
- El exceso más significativo ocurre en una masa de dijet promedio de 1.0 TeV con una significancia local de 2.1 s.d.
- Los límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) excluyen top squarks con masas entre 0.5 y 0.8 TeV (observado) y 0.5 a 0.8 TeV (esperado) en el contexto de decaimientos RPV a quarks $b$ y $s$ . Esto extiende los límites de masa previos que eran aproximadamente de 0.5 TeV.
Búsqueda Resonante:
- El exceso más significativo se observa en una masa de resonancia de cuatro jets de 3.1 TeV y una masa de resonancia de dijet de 1.3 TeV, con una significancia local de 2.6 s.d. Esto corresponde a la hipótesis $\alpha_{true} = 0.42$ .
- Los límites superiores excluyen masas de diquark pesado ( $S_{uu}$ ) entre 2 y 7 TeV para varias razones de masa de los diquarks hijas ( $S_{2/3}$ ). Estos son los primeros límites establecidos para el modelo D2D.
Incertidumbres Sistemáticas: El análisis tiene en cuenta las incertidumbres en la escala de energía de los jets, la resolución, la luminosidad integrada y la eficiencia de etiquetado de $b$ . La incertidumbre del modelado del fondo, particularmente la elección de la función empírica, es un factor sistemático dominante en masas bajas, mientras que las incertidumbres estadísticas dominan en masas altas.

Significancia
El artículo reclama su significancia principalmente a través de la extensión de la frontera de búsqueda hacia estados finales de sabor pesado para la producción por pares de dijets. Al aplicar el etiquetado de $b$ , el análisis proporciona restricciones complementarias a las búsquedas anteriores sin etiquetado, probando específicamente modelos BSM que predicen decaimientos de sabor pesado. Aunque no se encontró evidencia estadísticamente significativa de nuevas resonancias (todos los excesos permanecen por debajo del umbral de 3 s.d. para el descubrimiento), los resultados proporcionan los primeros límites de exclusión para la producción resonante de pares de dijets con jets $b$ y mejoran significativamente los límites de exclusión para la producción no resonante de top squarks RPV. El análisis también sirve para investigar los excesos específicos observados en las búsquedas anteriores sin etiquetado dentro del contexto de escenarios de sabor pesado, sin encontrar confirmación de dichos excesos en el canal con etiquetado de $b$ .

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