Search for heavy top quark partners with charge 5/3 in the single-lepton final state in proton-proton collisions at = 13 TeV
Utilizzando 138 fb di dati di collisioni protone-protone a = 13 TeV raccolti dall'esperimento CMS, questo studio presenta una ricerca di partner di quark vettoriali con carica 5/3 nello stato finale a singolo leptone, stabilendo i limiti di esclusione più stringenti ad oggi sulle loro sezioni d'urto di produzione a coppie (fino a 1630 GeV per i decadimenti in top-W e fino a 1740 GeV per i decadimenti esotici di Higgs carichi di top) senza osservare alcun eccesso rispetto alle aspettative del Modello Standard.
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L'universo è costruito su un insieme di regole che i fisici chiamano Modello Standard, una teoria che descrive con successo le particelle fondamentali e le forze che compongono tutto ciò che vediamo. Eppure, questa teoria è incompleta. Lascia un grande enigma irrisolto: perché il bosone di Higgs, la particella responsabile del conferire massa alle altre particelle, abbia il peso specifico che ha. I calcoli suggeriscono che, senza una nuova fisica non ancora vista, l'Higgs dovrebbe essere impossibilmente pesante o impossibilmente leggero. Per risolvere questo problema, i teorici hanno proposto l'esistenza di "quark vettoriali", pesanti partner dei quark noti che stabilizzerebbero questi calcoli. Tra questi ipotetici partner si trova una particella con una carica elettrica di cinque terzi, un valore che non esiste nel mondo conosciuto. Se tale particella esistesse, sarebbe un'entità massiccia e instabile che decade quasi istantaneamente in particelle più leggere e familiari. Trovarla non solo risolverebbe un problema matematico, ma aprirebbe una finestra sulla struttura più profonda della realtà.
Al Large Hadard Collider, una macchina mastodontica sepolta sotto il confine tra Francia e Svizzera, gli scienziati stanno facendo scontrare protoni a velocità incredibili per ricreare le condizioni dell'universo primordiale. L'esperimento CMS, uno dei giganteschi detector di questa struttura, ha recentemente completato una ricerca esaustiva di questi pesanti partner con carica cinque terzi. Il team ha analizzato una vasta collezione di dati di collisione raccolti tra il 2016 e il 2018, che rappresentano 138 unità di luminosità integrata, una misura del numero totale di collisioni registrate. Cercavano una firma molto specifica: una coppia di queste particelle pesanti che viene creata e poi decade immediatamente. I ricercatori si sono concentrati su due possibili modi in cui queste particelle potrebbero scomporsi. Nel primo, più tradizionale scenario, la particella pesante si scinde in un quark top e un bosone W. In un secondo scenario, più esotico, decade in un quark top e un bosone di Higgs carico, che poi si scompone ulteriormente in altri quark.
La sfida per i ricercatori era trovare un ago in un pagliaio. Le collisioni producono miliardi di eventi, la maggior parte dei quali sono interazioni ordinarie che imitano il segnale che gli scienziati stavano cercando. Per separare il potenziale segnale dal rumore di fondo, il team ha cercato eventi contenenti un singolo elettrone o muone, un tipo di elettrone pesante, insieme all'energia mancante trasportata da neutrini invisibili e a un getto di jet, ovvero spruzzi di particelle creati quando i quark volano via. Hanno utilizzato sofisticati algoritmi informatici per setacciare i dati, cercando schemi che corrispondessero al comportamento previsto della particella pesante con carica cinque terzi. L'analisi ha comportato l'addestramento di modelli di machine learning per distinguere tra le complesse macerie di una potenziale nuova particella e le confuse e comuni macerie delle interazioni standard delle particelle.
Dopo aver esaminato i dati, gli scienziati non hanno trovato evidenza di queste particelle pesanti. Il numero di eventi osservati corrispondeva perfettamente alle previsioni del Modello Standard, senza eccessi inaspettati che potessero indicare una nuova scoperta. Sebbene non abbiano trovato la particella, l'assenza di un segnale ha permesso loro di stabilire confini rigorosi su dove essa possa esistere. Hanno concluso che, se queste particelle esistono, devono essere più pesanti di 1.630 gigaelettronvolt nello scenario di decadimento tradizionale. Nello scenario più esotico che coinvolge il bosone di Higgs carico, hanno escluso masse fino a 1.740 gigaelettronvolt, assumendo che l'Higgs carico stesso abbia una massa di 800 gigaelettronvolt. Questi limiti sono i vincoli più stringenti stabiliti finora per il modo di decadimento tradizionale e rappresentano i primi limiti sperimentali mai stabiliti per il modo di decadimento esotico.
I risultati spingono efficacemente la ricerca di questi pesanti partner verso un intervallo di massa più elevato. I ricercatori non hanno dimostrato che le particelle non esistano; piuttosto, hanno dimostrato che, se esistono, sono troppo pesanti per essere state prodotte nelle collisioni che hanno analizzato. Ciò restringe il campo per i futuri esperimenti, dicendo ai teorici che, se vogliono trovare queste particelle, devono cercarle a energie ancora più elevate. Lo studio è una testimonianza del rigoroso processo di indagine scientifica: escludendo con cura ciò che non c'è, la comunità scientifica affina la propria comprensione di ciò che potrebbe esserci, guidando la prossima generazione di esperimenti verso le frontiere dell'ignoto.
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