Search for heavy top quark partners with charge 5/3 in the single-lepton final state in proton-proton collisions at = 13 TeV
Utilizando 138 fb de datos de colisiones protón-protón a = 13 TeV recolectados por el experimento CMS, este estudio presenta una búsqueda de compañeros de quarks vectoriales con carga 5/3 en el estado final de un solo leptón, estableciendo los límites de exclusión más estrictos hasta la fecha sobre sus secciones eficaces de producción por pares (hasta 1630 GeV para decaimientos a top-W y hasta 1740 GeV para decaimientos exóticos de Higgs cargado con carga de top) sin observar ningún exceso sobre las expectativas del Modelo Estándar.
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El universo está construido sobre un conjunto de reglas que los físicos llaman el Modelo Estándar, una teoría que describe con éxito las partículas y fuerzas fundamentales que componen todo lo que vemos. Sin embargo, esta teoría está incompleta. Deja un gran enigma sin resolver: por qué el bosón de Higgs, la partícula responsable de dar masa a otras partículas, tiene el peso específico que tiene. Los cálculos sugieren que, sin una nueva física no vista, el Higgs debería ser imposiblemente pesado o imposiblemente ligero. Para solucionar esto, los teóricos han propuesto la existencia de "quarks vectoriales", compañeros pesados de los quarks conocidos que estabilizarían estos cálculos. Entre estos hipotéticos compañeros se encuentra una partícula con una carga eléctrica de cinco tercios, un valor que no existe en el mundo conocido. Si tal partícula existiera, sería una entidad masiva e inestable que se desintegraría casi instantáneamente en partículas más ligeras y familiares. Encontrarla no solo resolvería un problema matemático, sino que abriría una ventana a la estructura más profunda de la realidad.
En el Gran Colisionador de Hadrones, una máquina masiva enterrada bajo la frontera entre Francia y Suiza, los científicos han estado chocando protones a velocidades increíbles para recrear las condiciones del universo temprano. El experimento CMS, uno de los gigantescos detectores en esta instalación, completó recientemente una búsqueda exhaustiva de estos compañeros pesados con carga de cinco tercios. El equipo analizó una vasta colección de datos de colisiones recopilados entre 2016 y 2018, que representan 138 unidades de luminosidad integrada, una medida del número total de colisiones registradas. Buscaban una firma muy específica: un par de estas partículas pesadas siendo creadas y luego desintegrándose inmediatamente. Los investigadores se centraron en dos posibles formas en que estas partículas podrían romperse. En el primero, un escenario más tradicional, la partícula pesada se divide en un quark top y un bosón W. En una segunda posibilidad, más exótica, se desintegra en un quark top y un bosón de Higgs cargado, que luego se descompone aún más en otros quarks.
El desafío para los investigadores fue encontrar una aguja en un pajar. Las colisiones producen miles de millones de eventos, la mayoría de los cuales son interacciones ordinarias que imitan la señal que los científicos buscaban. Para separar la señal potencial del ruido de fondo, el equipo buscó eventos que contuvieran un solo electrón o un muón, un tipo de electrón pesado, junto con energía faltante transportada por neutrinos invisibles y una lluvia de jets, que son ráfagas de partículas creadas cuando los quarks salen disparados. Utilizaron algoritmos informáticos sofisticados para filtrar los datos, buscando patrones que coincidieran con el comportamiento predicho de la partícula pesada con carga de cinco tercios. El análisis implicó el entrenamiento de modelos de aprendizaje automático para distinguir entre los escombros complejos de una potencial nueva partícula y los escombros desordenados y comunes de las interacciones de partículas estándar.
Tras examinar los datos, los científicos no encontraron evidencia de estas partículas pesadas. El número de eventos observados coincidió perfectamente con las predicciones del Modelo Estándar, sin excesos inesperados que indicaran un nuevo descubrimiento. Aunque no encontraron la partícula, la ausencia de una señal permitió establecer límites estrictos sobre dónde podría existir. Concluyeron que, si estas partículas existen, deben ser más pesadas de 1.630 gigaelectrónvoltios en el escenario de desintegración tradicional. En el escenario más exótico que involucra al bosón de Higgs cargado, descartaron masas de hasta 1.740 gigaelectrónvoltios, asumiendo que el propio Higgs cargado tiene una masa de 800 gigaelectrónvoltios. Estos límites son las restricciones más estrictas establecidas hasta la fecha para el modo de desintegración tradicional y representan los primeros límites experimentales establecidos jamás para el modo de desintegración exótica.
Los resultados efectivamente empujan la búsqueda de estos compañeros pesados hacia un rango de masa más alto. Los investigadores no probaron que las partículas no existan; más bien, probaron que, si existen, son demasiado pesadas para haber sido producidas en las colisiones que analizaron. Esto estrecha el campo para futuros experimentos, diciéndoles a los teóricos que, si quieren encontrar estas partículas, deben buscarlas a energías aún más altas. El estudio es un testimonio del riguroso proceso de indagación científica: al descartar cuidadosamente lo que no está ahí, la comunidad científica refina su comprensión de lo que podría ser, guiando a la siguiente generación de experimentos hacia las fronteras de lo desconocido.
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