Measurements of $t\bar{t}$ in association with charm quarks at 13 TeV with the ATLAS experiment

Utilizzando l'intero dataset della Run 2 a 13 TeV, la Collaborazione ATLAS ha eseguito la sua prima misura della sezione d'urto inclusiva per la produzione di coppie di quark top in associazione con quark charm, riscontrando che, sebbene i risultati concordino ampiamente con varie previsioni di simulazione, tutti i modelli sottostimano i valori osservati.

L'essenziale

Immaginate il Large Hadron Collider (LHC) come il più potente distruttore di particelle al mondo. Quando gli scienziati fanno scontrare protoni tra loro quasi alla velocità della luce, creano un'esplosione caotica di nuove particelle, molto simile a far scontrare due orologi e osservare gli ingranaggi, le molle e il vetro che volano ovunque.

La maggior parte delle volte, i fisici sono alla ricerca di "gemme rare" in queste macerie — particelle esotiche che potrebbero rivelare nuove leggi della fisica. Tuttavia, esiste un rumore di fondo molto comune e disordinoso che rende difficile trovare queste gemme: le coppie di quark top.

Il Problema: L'ingorgo dei "Quark Top"

I quark top sono le particelle elementari più pesanti conosciute. Quando vengono prodotti in coppia (chiamate $t\bar{t}$), decadono quasi sempre in altre particelle. A volte, questo processo crea accidentalmente particelle extra pesanti chiamate quark charm o quark bottom.

Pensate a un evento di coppia di quark top come a un'autostrada trafficata. Di solito, vi aspettate di vedere solo le auto principali (i quark top). Ma a volte, l'autostrada si intasa con dei camion supplementari per le consegne (i quark charm). Questi camion sono un disturbo perché sembrano molto simili alle rare "gemme" che gli scienziati stanno cercando (come il bosone di Higgs). Se non sapete esattamente quanti camion ci sono di solito sulla strada, non potete dire se un nuovo camion è solo traffico normale o una consegna speciale.

La Missione: Contare i camion "Charm"

Questo articolo descrive la prima volta che il team dell'esperimento ATLAS ha cercato di contare esattamente quanti quark charm appaiono insieme alle coppie di quark top.

Prima di allora, gli scienziati avevano buone mappe (previsioni teoriche) su quanto spesso i quark top appaiono con i quark bottom, ma avevano solo supposizioni molto vaghe per i quark charm. Era come cercare di navigare in una città con una mappa perfetta per le strade principali ma senza alcuna mappa per le strade secondarie.

Il Lavoro da Detective: Gli occhiali da "Flavor-Tagging"

Per risolvere questo problema, il team aveva bisogno di un modo per distinguere i diversi tipi di "camion" (getti di particelle) che escono dalla collisione.

• La Sfida: Gli strumenti standard sono ottimi nel individuare i quark bottom ma pessimi nell'individuare i quark charm.
• La Soluzione: Il team ha costruito un algoritmo di "flavor-tagging" personalizzato. Immaginate di indossare un paio di occhiali tecnologici ad alta precisione che possono etichettare istantaneamente ogni getto di particelle come "Leggero", "Charm" o "Bottom" con alta confidenza. Ciò ha permesso loro di smistare le macerie in pile specifiche:
  1. Eventi con due o più getti charm.
  2. Eventi con esattamente un getto charm.

L'Esperimento: Smistare le Macerie

Il team ha analizzato una quantità enorme di dati raccolti tra il 2015 e il 2018 (140 "femtobarn inversi", un modo elegante per dire "un enorme mucchio di collisioni"). Hanno cercato schemi specifici in cui i quark top decadono in elettroni o muoni (cugini più leggeri degli elettroni) e poi hanno controllato le restanti macerie alla ricerca di quei tag charm.

Hanno allestito una "sala di controllo" con diverse zone:

• Regioni di Segnale (Signal Regions): Dove si aspettavano di trovare gli eventi ricchi di charm.
• Regioni di Controllo (Control Regions): Dove sapevano di non dover trovare charm, solo per assicurarsi che le loro stime del rumore di fondo fossero corrette.

I Risultati: La mappa era vicina, ma imprecisa

Dopo aver elaborato i numeri, il team ha scoperto che:

1. Hanno trovato il charm: Sono riusciti a misurare per la prima volta il tasso con cui le coppie di quark top appaiono con i quark charm.
2. Le previsioni erano vicine, ma basse: I modelli teorici (le "mappe") prevedevano quanto spesso questo accade, e si collocavano nella giusta fascia di grandezza. Tuttavia, ogni singolo modello prevedeva meno eventi di quelli effettivamente osservati.
   • Pensate a una previsione meteorologica che dice "c'è il 20% di probabilità di pioggia", ma in realtà piove il 30% delle volte. La previsione non è sbagliata sul fatto che pioverà, ma sottostima quanto piove.

La "sezione d'urto" misurata (una misura di quanto sia probabile che l'evento accada) era:

• Top + 2 Charm: 1,28 picobarn.
• Top + 1 Charm: 6,4 picobarn.

Perché questo è importante

Non si tratta solo di contare particelle; si tratta di pulire il rumore. Poiché questi eventi di quark top "ricchi di charm" sono una fonte importante di rumore di fondo per altre scoperte rare, avere un conteggio accurato aiuta i fisici a filtrare i segnali falsi.

L'articolo conclude che, sebbene le nostre attuali simulazioni al computer stiano facendo un lavoro discreto, stanno costantemente sottostimando il numero di quark charm prodotti. Questo dice ai teorici: "Le vostre mappe devono essere aggiornate; ci sono più camion charm sull'autostrada di quanto pensiate".

In breve: Il team ATLAS ha utilizzato software personalizzato per contare quanto spesso particelle pesanti "charm" appaiono con i quark top. Hanno scoperto che le attuali teorie sono leggermente troppo pessimiste, prevedendo meno eventi di quanto la realtà effettivamente mostri. Questi nuovi dati aiuteranno a raffinare i modelli utilizzati per cercare una fisica ancora più rara in futuro.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Misurazioni di $t\bar{t}$ in associazione con quark charm a 13 TeV con l'esperimento ATLAS

Problema e Motivazione
La produzione di coppie di quark top ($t\bar{t}$) accompagnata da jet aggiuntivi a sapore pesante costituisce un background irreducibile significativo per numerosi processi rari del Modello Standard (SM), come la produzione di $t\bar{t}H$ con decadimenti $H \to b\bar{b}$ e la produzione di quattro quark top. Sebbene esistano computazioni teoriche per la produzione di $t\bar{t} + b\bar{b}$ con accuratezza al prossimo ordine (NLO) nella cromodinamica quantistica (QCD), le incertezze relative alle scale di rinormalizzazione e di fattorizzazione rimangono sostanziali. Fondamentalmente, non sono attualmente disponibili computazioni NLO dedicate per la produzione di $t\bar{t} + c\bar{c}$. Questa lacuna teorica rende necessarie misurazioni sperimentali per affinare la comprensione di questi stati finali, in cui i jet a sapore pesante aggiuntivi derivano dallo splitting di gluoni in coppie $b\bar{b}$ o $c\bar{c}$, oppure dalla radiazione di stato iniziale.

Metodologia
Questa analisi utilizza l'intero dataset di collisioni protone-protone della Run 2 raccolto dall'esperimento ATLAS a $\sqrt{s} = 13$ TeV tra il 2015 e il 2018, corrispondente a una luminosità integrata di 140 fb$^{-1}$. La misurazione si rivolge a eventi $t\bar{t}$ contenenti uno o due leptoni carichi ($e$ o $\mu$) e almeno un jet aggiuntivo.

• Simulazione e Modellazione: I processi di segnale e background sono modellati utilizzando simulazioni Monte Carlo (MC). I processi inclusivi $t\bar{t} + \ge 1c$ e $t\bar{t} + \text{light}$ sono simulati utilizzando lo schema a cinque sapori (5FS) con POWHEG BOX 2 interfacciato a PYTHIA 8 per lo showering di partoni e l'hadronizzazione. I processi $t\bar{t} + b\bar{b}$ utilizzano un approccio di elemento di matrice a quattro sapori (4FS). Gli eventi sono categorizzati al livello di particella stabile in quattro gruppi distinti: $t\bar{t} + \ge 2c$, $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + \ge 2b$ e $t\bar{t} + \text{light}$.
• Flavour-Tagging: È stato sviluppato un algoritmo personalizzato "b/c-tagger" per identificare simultaneamente i jet $b$ e i jet $c$, poiché gli algoritmi standard di ATLAS mancano di punti di lavoro dedicati al tagging di $c$. L'algoritmo restituisce un discriminante bidimensionale che definisce cinque bin: due per i jet $c$ (con efficienza dell'11% e del 22%), due per i jet $b$ (con efficienza del 60% e del 70%) e uno per i jet non taggati.
• Selezione degli Eventi e Fitting: L'analisi impiega trigger a singolo elettrone e singolo muone per selezionare eventi con uno o due leptoni. Il canale a singolo leptone richiede $\ge 5$ jet, mentre il canale dileptone richiede $\ge 3$ jet (con almeno tre che superano specifici criteri di tagging). I 19 regioni di controllo (CR) e regioni di segnale (SR) ortogonali definite dai bin del b/c-tagger sono utilizzati per estrarre le intensità di segnale tramite un fit di verosimiglianza di profilo (profile likelihood fit). Le incertezze sistematiche, incluse quelle relative alla modellazione, all'algoritmo di flavour-tagging e agli effetti del rivelatore, sono trattate come parametri di disturbo (nuisance parameters).

Contributi Chiave
Questo lavoro presenta la prima misurazione della sezione d'urto inclusiva per la produzione di $t\bar{t}$ in associazione con quark charm da parte della Collaborazione ATLAS. Il contributo primario è l'estrazione simultanea di separate sezioni d'urto fiduciali per:

1. $t\bar{t} + \ge 2c$ (eventi con almeno due jet $c$, che mirano principalmente a $t\bar{t} + c\bar{c}$).
2. $t\bar{t} + 1c$ (eventi con esattamente un jet $c$ aggiuntivo, originati da $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + c\bar{c}$ con un jet fuori dall'accettanza, o $t\bar{t} + c\bar{c}$ dove i jet sono clusterizzati).

Risultati
L'analisi dimostra un buon accordo tra dati e simulazione, con una compatibilità del fit del 98%. Le sezioni d'urto fiduciali misurate sono:

• $\sigma_{\text{fid}}(t\bar{t} + \ge 2c) = 1.28^{+0.27}_{-0.24}$ pb
• $\sigma_{\text{fid}}(t\bar{t} + 1c) = 6.4^{+1.0}_{-0.9}$ pb

Le fonti dominanti di incertezza sono la modellazione dei processi $t\bar{t} + \ge 1c$, $t\bar{t} + \ge 1b$ e $t\bar{t} + \text{light}$ (specificamente il matching NLO e lo showering di partoni), le incertezze nelle prestazioni del b/c-tagger e la statistica dei dati.

Confrontando i risultati con varie previsioni NLO+PS da simulazioni inclusive di $t\bar{t} + \text{jets}$ e $t\bar{t} + b\bar{b}$:

• Tutte le previsioni teoriche sottostimano i valori osservati.
• Le previsioni POWHEG BOX 2 + PYTHIA 8 concordano con la misurazione entro 1,1 deviazioni standard considerando le variazioni di scala e PDF.
• Le previsioni POWHEX BOX 2 + HERWIG 7 e MADGRAPH5_AMC@NLO + HERWIG 7 mostrano un accordo entro 1,2 e 2,0 deviazioni standard.

Inoltre, i rapporti tra le sezioni d'urto di $t\bar{t} + \ge 2c$ e $t\bar{t} + 1c$ rispetto alla sezione d'urto totale inclusiva di $t\bar{t} + \text{jets}$ sono stati misurati sia in volumi fiduciali che inclusivi, trovando una coerenza con le simulazioni NLO+PS a un livello simile alle misurazioni delle sezioni d'urto assolute.

Significatività
Il documento rivendica la significatività principalmente attraverso la fornitura dei primi vincoli sperimentali sulle sezioni d'urto di produzione di $t\bar{t} + \text{charm}$. Queste misurazioni affrontano una lacuna nei calcoli teorici (specificamente la mancanza di computazioni dedicate a $t\bar{t} + c\bar{c}$) e migliorano la comprensione dei background di jet a sapore pesante. Sebbene i risultati siano ampiamente coerenti con i modelli di simulazione esistenti, l'osservazione che tutti i modelli sottostimino i dati evidenzia aree per un potenziale raffinamento nella modellazione QCD, in particolare riguardo allo splitting di gluoni in coppie $c\bar{c}$. La precisione della misurazione è attualmente limitata dalle incertezze di modellazione e dal potere statistico del dataset.