Search for top quark flavor-changing neutral currents in multilepton final states using an effective field theory approach in proton--proton collisions at = 13 TeV
Utilizzando 138 fb di dati di collisioni protone-protone a = 13 TeV raccolti dal rivelatore CMS, questo studio presenta la prima ricerca globale simultanea per correnti neutre con cambio di sapore del quark top all'interno del framework della teoria dei campi effettivi del Modello Standard, stabilendo i limiti più stringenti a oggi sui coefficienti di Wilson rilevanti e sulle frazioni di ramificazione di decadimento senza osservare alcuna evidenza di tali interazioni.
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Nell'universo della fisica subatomica, esiste un insieme di regole noto come Modello Standard che descrive come interagiscono i più piccoli mattoni della materia. Per decenni, questo modello è stato straordinariamente efficace, eppure lascia alcune domande senza risposta. Uno dei misteri più persistenti riguarda il quark top, la particella elementare più pesante conosciuta. Secondo il Modello Standard, un quark top non dovrebbe quasi mai cambiare la propria identità in un quark più leggero, come un quark up o un quark charm, senza scambiare partner con una particella carica. Questa restrizione è così severa che un tale evento è previsto accadere così raramente da essere di fatto impossibile da osservare. Tuttavia, molti fisici sospettano che questa regola possa essere infranta da nuove, non ancora scoperte forze o particelle che esistono oltre la nostra attuale comprensiazione. Se un quark top venisse mai visto cambiare il proprio sapore senza uno scambio di carica, sarebbe un chiaro segno che il Modello Standard è incompleto e che una nuova fisica è in attesa di essere scoperta.
Un team di scienziati che lavora con il rivelatore CMS al Large Hadron Collider in Svizzera ha ora condotto la ricerca più completa finora di questi rari eventi. Hanno analizzato una massiccia collezione di dati provenienti da collisioni protone-protone, che rappresentano un'esposizione totale di 138 femtobarn inversi, il che corrisponde alla quantità di dati raccolti in diversi anni di operatività a un livello di energia di 13 tera-elettronvolt. Invece di cercare un solo tipo specifico di nuova interazione, i ricercatori hanno gettato una rete molto ampia utilizzando un quadro chiamato Teoria dell'Campo Efficace del Modello Standard. Questo approccio permette loro di testare simultaneamente un vasto numero di possibili nuove interazioni, trattandole come piccoli aggiustamenti alle leggi note della fisica piuttosto che assumere l'esistenza di una singola nuova particella. Si sono concentrati nella loro ricerca su una firma specifica e impegnativa: collisioni che producono tre o più particelle cariche note come leptoni, che includono elettroni e muoni, spesso portando la stessa carica elettrica.
I ricercatori hanno setacciato miliardi di eventi di collisione per trovare i pochi che soddisfacevano i loro criteri. Cercavano un modello molto specifico in cui un quark top potesse aver interagito con un bosone, come un bosone di Higgs o un bosone Z, o direttamente con una coppia di leptoni, causando il suo decadimento in un modo insolito. Per distinguere questi rari segnali dall'enorme sfondo di collisioni ordinarie, il team ha utilizzato sofisticati algoritmi informatici addestrati a riconoscere le sottili differenze nell'energia e nella direzione delle particelle prodotte. Hanno organizzato i dati in diverse categorie basate sul numero di jet, ovvero getti di particelle creati dai quark, e sul numero di jet con tag b, ovvero jet identificati come probabilmente derivanti da un quark bottom. Questa attenta classificazione ha permesso loro di isolare le regioni in cui un nuovo segnale sarebbe stato più visibile.
Dopo aver eseguito la loro analisi, gli scienziati non hanno trovato prove delle correnti neutre a cambio di sapore che stavano cercando. I dati corrispondevano perfettamente alle previsioni del Modello Standard, senza deviazioni significative che suggerissero una nuova fisica. Questo risultato è significativo perché stabilisce i limiti più stretti finora su quanto spesso un quark top possa cambiare il proprio sapore attraverso queste specifiche interazioni. Testando ventiquattro diversi parametri teorici contemporaneamente, il team ha stabilito un nuovo standard globale per i futuri esperimenti. Sebbene non abbiano trovato le nuove particelle che speravano di trovare, il loro lavoro esclude efficacementamente una vasta gamma di possibilità su come la nuova fisica potrebbe manifestarsi nel settore del quark top. Lo studio conferma che, entro la precisione delle loro misurazioni, il quark top si comporta esattamente come prevede il Modello Standard, mantenendo chiusa la porta su molte teorie che suggerivano il contrario.
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