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

Utilizando o conjunto completo de dados da Run 2 a 13 TeV, a Colaboração ATLAS realizou sua primeira medição da seção de choque inclusiva para a produção de pares de quarks top em associação com quarks charm, encontrando que, embora os resultados concordem amplamente com várias previsões de simulação, todos os modelos subestimam os valores observados.

O essencial

Imagine o Grande Colisor de Hádrons (LHC) como o colisor de partículas mais poderoso do mundo. Quando os cientistas colidem prótons entre si quase à velocidade da luz, eles criam uma explosão caótica de novas partículas, muito parecido com esmagar dois relógios um contra o outro e observar as engrenagens, molas e vidros voando para todos os lados.

Na maioria das vezes, os físicos estão procurando pelas "gemas raras" nesse meio de detritos — partículas exóticas que podem revelar novas leis da física. No entanto, existe um ruído de fundo comum e caótico que torna a busca por essas gemas difícil: pares de quarks top.

O Problema: O Engarrafamento dos "Quarks Top"

Os quarks top são as partículas elementares mais pesadas conhecidas. Quando são produzidos em pares (chamados de $t\bar{t}$), eles quase sempre decaem em outras partículas. Às vezes, esse processo cria acidentalmente partículas extras pesadas chamadas quarks charm ou quarks bottom.

Pense em um evento de par de quarks top como uma rodovia movimentada. Normalmente, você espera ver apenas os carros principais (os quarks top). Mas, às vezes, a rodovia fica obstruída com caminhões de entrega extras (quarks charm). Esses caminhões são um incômodo porque se parecem muito com as "gemas" raras que os cientistas estão tentando encontrar (como o Bóson de Higgs). Se você não souber exatamente quantos caminhões costumam estar na estrada, não poderá distinguir se um novo caminhão é apenas tráfego normal ou uma entrega especial.

A Missão: Contar os Caminhões "Charm"

Este artigo descreve a primeira vez que a equipe do experimento ATLAS tentou contar exatamente quantos quarks charm aparecem ao lado de pares de quarks top.

Antes disso, os cientistas tinham bons mapas (previsões teóricas) de quão frequentemente os quarks top aparecem com quarks bottom, mas tinham palpites muito vagos para os quarks charm. Era como tentar navegar em uma cidade com um mapa perfeito para as estradas principais, mas sem um mapa para as ruas laterais.

O Trabalho de Detetive: Os Óculos de "Flavor-Tagging"

Para resolver isso, a equipe precisou de uma maneira de diferenciar os diferentes tipos de "caminhões" (jatos de partículas) que saem da colisão.

• O Desafio: Ferramentas padrão são ótimas para detectar quarks bottom, mas terríveis para detectar quarks charm.
• A Solução: A equipe construiu um algoritmo de "flavor-tagging" personalizado. Imagine colocar um par de óculos de alta tecnologia que pode rotular instantaneamente cada jato de partícula como "Light" (Leve), "Charm" ou "Bottom" com alta confiança. Isso permitiu que eles separassem os detritos em pilhas específicas:
  1. Eventos com dois ou mais jatos de charm.
  2. Eventos com exatamente um jato de charm.

O Experimento: Separando os Detritos

A equipe analisou uma quantidade massiva de dados coletados entre 2015 e 2018 (140 "femtobarns inversos", uma forma elegante de dizer "um enorme monte de colisões"). Eles procuraram por padrões específicos onde os quarks top decaíram em elétrons ou múons (primos mais leves dos elétrons) e então verificaram os detritos restantes em busca desses identificadores de charm.

Eles estabeleceram uma "sala de controle" com diferentes zonas:

• Regiões de Sinal (Signal Regions): Onde esperavam encontrar os eventos ricos em charm.
• Regiões de Controle (Control Regions): Onde sabiam que não deveriam encontrar charm, apenas para garantir que suas estimativas de ruído de fundo estivessem corretas.

Os Resultados: O Mapa Estava Próximo, Mas Errante

Após processar os números, a equipe descobriu:

1. Eles encontraram o charm: Eles mediram com sucesso a taxa de ocorrência de pares de quarks top aparecendo com quarks charm pela primeira vez.
2. As previsões estavam próximas, mas baixas: Os modelos teóricos (os "mapas") previam a frequência com que isso acontece, e estavam na ordem de grandeza correta. No entanto, cada um dos modelos previu menos eventos do que o que foi realmente observado.
   • Pense nisso como uma previsão do tempo que diz que "há 20% de chance de chuva", mas na verdade chove 30% das vezes. A previsão não está errada sobre o fato de que vai chover, mas subestima o quanto chove.

A "seção de choque" (cross-section) medida (uma medida de quão provável é o evento acontecer) foi:

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

Por Que Isso Importa

Isso não é apenas sobre contar partículas; é sobre limpar o ruído. Como esses eventos de quarks top "ricos em charm" são uma fonte importante de ruído de fundo para outras descobertas raras, ter uma contagem precisa ajuda os físicos a filtrar sinais falsos.

O artigo conclui que, embora nossas simulações de computador atuais estejam fazendo um trabalho decente, elas subestimam consistentemente a quantidade de quarks charm produzidos. Isso diz aos teóricos: "Seus mapas precisam ser atualizados; há mais caminhões charm na rodovia do que vocês pensavam".

Em resumo: A equipe ATLAS usou software personalizado para contar a frequência com que partículas pesadas de "charm" aparecem com quarks top. Eles descobriram que as teorias atuais são ligeiramente pessimistas, prevendo menos eventos do que a realidade realmente mostra. Esses novos dados ajudarão a refinar os modelos usados para buscar uma física ainda mais rara no futuro.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Medições de $t\bar{t}$ em Associação com Quarks Charme a 13 TeV com o Experimento ATLAS

Problema e Motivação
A produção de pares de quarks top ($t\bar{t}$) acompanhada por jatos adicionais de sabor pesado constitui um fundo irredutível significativo para numerosos processos raros do Modelo Padrão (SM), como a produção $t\bar{t}H$ com decaimentos $H \to b\bar{b}$ e a produção de quatro quarks top. Embora existam computações teóricas para a produção $t\bar{t} + b\bar{b}$ com precisão de ordem próxima à líder (NLO) em cromodinâmica quântica (QCD), as incertezas relativas às escalas de renormalização e fatorização permanecem substanciais. Crucialmente, não há computações dedicadas em NLO atualmente disponíveis para a produção $t\bar{t} + c\bar{c}$. Esta lacuna teórica exige medições experimentais para refinar a compreensão desses estados finais, onde jatos adicionais de sabor pesado surgem do desdobramento de glúons em pares $b\bar{b}$ ou $c\bar{c}$, ou da radiação do estado inicial.

Metodologia
Esta análise utiliza o conjunto completo de dados de colisões próton–próton do Run 2 coletados pelo experimento ATLAS a $\sqrt{s} = 13$ TeV entre 2015 e 2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 140 fb$^{-1}$. A medição visa eventos $t\bar{t}$ contendo um ou dois léptons carregados ($e$ ou $\mu$) e pelo menos um jato adicional.

• Simulação e Modelagem: Os processos de sinal e fundo são modelados usando simulações de Monte Carlo (MC). Os processos inclusivos $t\bar{t} + \ge 1c$ e $t\bar{t} + \text{light}$ são simulados usando o esquema de cinco sabores (5FS) com POWHEG BOX 2 interfaciado ao PYTHIA 8 para o chuveiro de partons (parton showering) e hadronização. Os processos $t\bar{t} + b\bar{b}$ utilizam uma abordagem de elemento de matriz de esquema de quatro sabores (4FS). Os eventos são categorizados no nível de partículas estáveis em quatro grupos distintos: $t\bar{t} + \ge 2c$, $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + \ge 2b$ e $t\bar{t} + \text{light}$.
• Identificação de Sabor (Flavour-Tagging): Um algoritmo customizado de "b/c-tagger" foi desenvolvido para identificar simultaneamente jatos $b$ e jatos $c$, uma vez que os algoritmos padrão do ATLAS carecem de pontos de trabalho dedicados para identificação de $c$ (c-tagging). O algoritmo produz um discriminante bidimensional definindo cinco bins: dois para jatos $c$ (com eficiências de 11% e 22%), dois para jatos $b$ (com eficiências de 60% e 70%) e um para jatos não identificados.
• Seleção de Eventos e Ajuste (Fitting): A análise emprega gatilhos (triggers) de elétron único e múon único para selecionar eventos com um ou dois léptons. O canal de lépton único requer $\ge 5$ jatos, enquanto o canal de dileptons requer $\ge 3$ jatos (com pelo menos três passando por critérios específicos de identificação). Os 19 regiões de controle (CRs) e regiões de sinal (SRs) ortogonais definidas pelos bins do b/c-tagger são usados para extrair as forças de sinal via um ajuste de verossimilhança de perfil (profile likelihood fit). As incertezas sistemáticas, incluindo aquelas relacionadas à modelagem, ao algoritmo de b/c-tagger e aos efeitos do detector, são tratadas como parâmetros de incerteza (nuisance parameters).

Principais Contribuições
Este trabalho apresenta a primeira medição da seção de choque inclusiva para a produção de $t\bar{t}$ em associação com quarks charme pela Colaboração ATLAS. A principal contribuição é a extração simultânea de seções de choque fiduciais separadas para:

1. $t\bar{t} + \ge 2c$ (eventos com pelo menos dois jatos $c$, visando primariamente $t\bar{t} + c\bar{c}$).
2. $t\bar{t} + 1c$ (eventos com exatamente um jato $c$ adicional, originários de $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + c\bar{c}$ com um jato fora da aceitação, ou $t\bar{t} + c\bar{c}$ onde os jatos estão agrupados/clustered).

Resultos
A análise demonstra boa concordância entre os dados e a simulação, com uma compatibilidade de ajuste de 98%. As seções de choque fiduciais medidas são:

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

As fontes dominantes de incerteza são a modelagem dos processos $t\bar{t} + \ge 1c$, $t\bar{t} + \ge 1b$ e $t\bar{t} + \text{light}$ (especificamente o casamento NLO e o chuveiro de partons), as incertezas no desempenho do b/c-tagger e a estatística dos dados.

Quando comparadas com várias previsões NLO+PS de simulações inclusivas de $t\bar{t} + \text{jets}$ e $t\bar{t} + b\bar{b}$:

• Todas as previsões teóricas subestimam os valores observados.
• As previsões POWHEG BOX 2 + PYTHIA 8 concordam com a medição dentro de 1.1 desvios padrão ao considerar variações de escala e PDF.
• As previsões POWHEG BOX 2 + HERWIG 7 e MADGRAPH5_AMC@NLO + HERWIG 7 mostram concordância dentro de 1.2 a 2.0 desvios padrão.

Adicionalmente, as razões das seções de choque de $t\bar{t} + \ge 2c$ e $t\bar{t} + 1c$ para a seção de choque total de $t\bar{t} + \text{jets}$ foram medidas tanto em volumes fiduciais quanto inclusivos, encontrando consistência com as simulações NLO+PS em um nível similar às medições de seção de choque absoluta.

Significância
O artigo reivindica significância primariamente através do fornecimento das primeiras restrições experimentais sobre as seções de choque de produção de $t\bar{t} + \text{charme}$. Estas medições abordam uma lacuna nas computações teóricas (especificamente a falta de computações dedicadas para $t\bar{t} + c\bar{c}$) e melhoram a compreensão dos fundos de jatos de sabor pesado. Embora os resultados sejam amplamente consistentes com os modelos de simulação existentes, a observação de que todos os modelos subestimam os dados destaca áreas para potenciais refinamentos na modelagem de QCD, particularmente em relação ao desdobramento de glúons em pares $c\bar{c}$. A precisão da medição é atualmente limitada pelas incertezas de modelagem e pelo poder estatístico do conjunto de dados.