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
Gebruikmakend van 138 fb aan proton-proton botsingsdata bij = 13 TeV verzameld door de CMS-detector, presenteert deze studie de eerste wereldwijde simultane zoektocht naar flavor-changing neutrale stromen van het topquark binnen het raamwerk van de Standard Model effective field theory, waarmee de meest strikte limieten tot nu toe wordt vastgesteld op relevante Wilson-coëfficiënten en vervalvertakkingsfracties zonder bewijs voor dergelijke interacties te observeren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In het universum van de subatomaire fysica bestaat een set regels die bekend staat als het Standaardmodel, die beschrijft hoe de kleinste bouwstenen van materie met elkaar interageren. Decennialang is dit model opmerkelijk succesvol geweest, toch laat het enkele vragen onbeantwoord. Een van de meest hardnekkige mysteries betreft het topquark, het zwaarste bekende elementaire deeltje. Volgens het Standaardmodel zou een topquark bijna nooit van identiteit zou moeten veranderen naar een lichter quark, zoals een up- of een charmquark, zonder van partner te wisselen met een geladen deeltje. Deze beperking is zo strikt dat een dergelijke gebeurtenis volgens de voorspelling zo zelden zou plaatsvinden dat het effectief onmogelijk is om te observeren. Echter, veel natuurkundigen vermoeden dat deze regel doorbroken zou kunnen worden door nieuwe, onontdekte krachten of deeltjes die buiten ons huidige begrip bestaan. Als een topquark ooit zou worden gezien terwijl het van smaak verandert zonder een ladinguitwisseling, zou dat een duidelijk teken zijn dat het Standaardmodel incompleet is en dat er nieuwe fysica wacht om ontdekt te worden.
Een team wetenschappers dat werkt met de CMS-detector bij de Large Hadron Collider in Zwitserland heeft nu het meest uitgebreide onderzoek tot nu toe uitgevoerd naar deze zeldzame gebeurtenissen. Ze analyseerden een enorme collectie gegevens van proton-protonbotsingen, wat een totale blootstelling vertegenwoordigt van 138 inverse femtobarn, wat overeenkomt met de hoeveelheid gegevens verzameld over meerdere jaren van operatie op een energieniveau van 13 tera-elektronvolt. In plaats van te zoeken naar slechts één specifiek type nieuwe interactie, wierpen de onderzoekers een breed net met behulp van een raamwerk genaamd de Standard Model Effective Field Theory. Deze aanpak stelt hen in staat om een groot aantal mogelijke nieuwe interacties simultaan te testen, waarbij ze deze behandelen als kleine aanpassingen aan de bekende natuurwetten in plaats van ervan uit te gaan dat er één enkel nieuw deeltje bestaat. Ze richtten hun zoektocht op een specifieke en uitdagende signatuur: botsingen die drie of meer geladen deeltjes produceerden die bekend staan als leptonen, waaronder elektronen en muonen, die vaak dezelfde elektrische lading dragen.
De onderzoekers zeefden miljarden botsingsevenementen om de weinige te vinden die aan hun criteria voldeden. Ze zochten naar een zeer specifiek patroon waarbij een topquark met een boson zou kunnen hebben geïnteracteerd, zoals een Higgs- of Z-boson, of direct met een paar leptonen, waardoor het op een ongebruikelijke manier zou vervallen. Om de zeldzame signalen te onderscheiden van de overweldigende achtergrond van gewone botsingen, gebruikte het team geavanceerde computeralgoritmen die getraind zijn om de subtiele verschillen in de energie en de richting van de geproduceerde deeltjes te herkennen. Ze organiseerden de gegevens in verschillende categorieën op basis van het aantal jets, wat sproeiers van deeltjes zijn die worden gecreëerd door quarks, en het aantal b-getagde jets, wat jets zijn die geïdentificeerd zijn als waarschijnlijk afkomstig van een bottomquark. Deze zorgvuldige sortering stelde hen in staat om de regio's te isoleren waar een nieuw signaal het meest zichtbaar zou zijn.
Na het uitvoeren van hun analyse vonden de wetenschappers geen bewijs voor de flavor-changing neutral currents waar ze naar op zoek waren. De gegevens kwamen perfect overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel, zonder significante afwijkingen die zouden duiden op nieuwe fysica. Dit resultaat is significant omdat het de strengste grenzen stelt aan hoe vaak een topquark van smaak kan veranderen via deze specifieke interacties. Door tegelijkertijd vierentwintig verschillende theoretische parameters te testen, stelde het team een nieuwe wereldwijde benchmark vast voor toekomstige experimenten. Hoewel ze niet de nieuwe deeltjes vonden waar ze op hoopten, sluit hun werk een breed scala aan mogelijkheden uit voor hoe nieuwe fysica zich in de topquark-sector zou kunnen manifesteren. De studie bevestigt dat, binnen de precisie van hun metingen, het topquark zich precies gedraagt zoals het Standaardmodel voorspelt, waardoor de deur gesloten blijft voor veel theorieën die anders suggereerden.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.