Probes of flavour symmetry and violation with top quarks in ATLAS and CMS

O essencial

Imagine o Grande Colisor de Hádrons (LHC) como o esmagador de partículas mais poderoso do mundo. Dentro dele, prótons colidem uns com os outros a quase a velocidade da luz, criando uma tempestade caótica de partículas subatômicas. Entre esses detritos, o quark top é o "campeão peso-pesado" — é a partícula fundamental mais pesada que conhecemos e, por ser tão massiva, atua como um holofote único. Se houver quaisquer regras ocultas do universo quebrando, o quark top é o lugar mais provável para ver as rachaduras.

Este documento é um boletim escolar de dois detectores gigantes, ATLAS e CMS, que atuam como câmeras de alta velocidade capturando essas colisões. Os cientistas estão analisando dados de 2015 a 2018 (uma quantidade massiva de informações, como 140 quatrilhões de colisões) para ver se o quark top se comporta exatamente como o "Modelo Padrão" (nosso atual livro de regras da física) prevê, ou se está fazendo algo estranho que sugere uma nova física desconhecida.

Aqui está uma divisão de suas quatro principais investigações, usando analogias simples:

1. O Teste da "Equidade" (Universalidade de Sabor de Léptons)

O Conceito: O Modelo Padrão diz que o universo trata elétrons e múons (um primo mais pesado do elétron) exatamente da mesma forma, como dois gêmeos idênticos usando chapéus de cores diferentes. Eles devem interagir com partículas portadoras de força (bósons W e Z) com igual intensidade.
O Experimento: Os cientistas observaram quarks top decaindo nessas partículas. Eles compararam a frequência com que um quark top produz um elétron versus um múon.
A Analogia: Imagine uma máquina de vendas que deve dispensar Coca e Pepsi com probabilidade igual. Se você pressionar o botão 1.000 vezes, espera aproximadamente 500 de cada.
O Resultado: A máquina é perfeitamente justa. A proporção de elétrons para múons foi medida em 0,9995, o que é incrivelmente próximo de 1. Este é o teste mais preciso da regra de "equidade" já feito, confirmando que, até agora, o universo trata esses dois partículas como iguais.

2. A Caça à "Troca Proibida" (Violação de Sabor de Lépton Carregado)

O Conceito: No Modelo Padrão, as partículas geralmente não mudam seu "sabor" (identidade) facilmente. Um elétron não deveria simplesmente se transformar em um múon. Se isso acontecesse, seria um grande quebra de regras, sugerindo nova física como "leptoquarks" ou supersimetria.
O Experimento: As equipes procuraram por quarks top que decaíram em uma mistura de diferentes partículas que não deveriam ir juntas, como um elétron e um múon aparecendo juntos de um único evento de quark top.
A Analogia: Imagine um chef que só cozinha hambúrgueres. Se você de repente encontrar um hambúrguer que tem uma fatia de pizza e um donut grudados nele, você sabe que o chef está usando uma receita secreta e proibida.
O Resultado: Eles não encontraram hambúrgueres proibidos. Nenhuma evidência dessas "trocas proibidas" foi vista. No entanto, como não encontraram nada, eles puderam estabelecer limites muito rigorosos sobre o quão raro esses eventos poderiam possivelmente ser. Eles basicamente disseram ao universo: "Se essa troca proibida acontecer, deve ser incrivelmente, incrivelmente rara".

3. O Check de "Roubo de Identidade" (Violação do Número Bariônico)

O Conceito: Em nosso entendimento atual, o número total de "bárions" (partículas como prótons e nêutrons que compõem a matéria) é conservado. A matéria não é simplesmente criada ou destruída do nada.
O Experimento: Eles buscaram por quarks top decaindo de uma forma que quebraria essa regra, potencialmente transformando um quark top em um lépton e outras partículas de uma forma que viola a conservação da matéria.
A Analogia: Imagine um banco onde o valor total de dinheiro no cofre deve permanecer constante. Os cientistas estão procurando por um caixa que de alguma forma consegue sacar uma nota de US$ 100 e transformá-la em uma nota de US$ 100 mais uma nota de US$ 50, criando dinheiro do nada.
O Resultado: Não foram encontradas "impressoras de dinheiro". O universo ainda parece manter seus livros equilibrados. Os cientistas estabeleceram novos limites, muito mais rigorosos, sobre o quão frequentemente esse "roubo de identidade" poderia acontecer, melhorando os limites anteriores em fatores de 1.000 a 1.000.000.

4. A Busca pela "Partícula Fantasma" (Leptons Neutros Pesados)

O Conceito: Sabemos que os neutrinos têm massa, mas não sabemos o porquê. Uma teoria popular sugere que existem "Leptons Neutros Pesados" (HNLs) — primos fantasmagóricos e pesados dos neutrinos que são difíceis de detectar.
O Experimento: Isso foi uma primeira para o ATLAS: procurar por essas partículas fantasmagóricas especificamente dentro de um decaimento de quark top. Eles procuraram por um quark top se transformando em um neutrino pesado, que então decai em duas partículas com a mesma carga elétrica (como dois múons de mesmo sinal).
A Analogia: Imagine um mágico tirando um coelho de dentro de um chapéu. Geralmente, você espera um coelho. Mas aqui, eles estão procurando por um coelho específico, pesado e invisível que deixa um rastro de pegadas muito específico (duas partículas de mesmo sinal) antes de desaparecer.
O Resultado: Eles não encontraram o coelho fantasma pesado. No entanto, eles mapearam com sucesso exatamente onde esse coelho poderia estar se escondendo (em termos de massa e de quão fortemente ele interage) e descartaram uma ampla gama de possibilidades, especialmente para versões mais pesadas dessas partículas.

O Ponto Final

As equipes ATLAS e CMS realizaram um rigoroso "check-up de saúde" no quark top.

• Eles encontraram nova física? Não. O quark top está se comportando exatamente como o Modelo Padrão prevê.
• Isso é uma falha? De forma alguma. Na física, "nada aconteceu" é um grande sucesso porque nos diz exatamente onde não procurar.
• O que vem a seguir? Eles apertaram a rede. Eles provaram que, se a nova física existe, ela está escondida em um canto muito menor e mais esquivo do que pensávamos. Com mais dados vindo da próxima fase do LHC (Run 3), eles continuarão procurando com olhos ainda mais aguçados.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Sondas de Simetria e Violação de Sabor com Quarks Top em ATLAS e CMS

Problema e Escopo
Este artigo apresenta uma visão abrangente de seis novas análises conduzidas pelas colaborações ATLAS e CMS utilizando dados de colisões próton-próton a uma energia de centro de massa de 13 TeV. As análises utilizam os conjuntos de dados completos da Run 2, correspondentes a luminosidades integradas de 140 fb⁻¹ (ATLAS) e 138 fb⁻¹ (CMS). O objetivo principal é validar as previsões do Modelo Padrão (SM) no setor do quark top e buscar desvios indicativos de física Além do Modelo Padrão (BSM). Especificamente, o trabalho visa três categorias de nova física potencial: Violação de Sabor de Léptons Carregados (cLFV), Violação do Número Bariônico (BNV) e a existência de Léptons Neutros Pesados (HNLs). Adicionalmente, o artigo relata uma medição de precisão da Universalidade de Sabor de Léptons (LFU).

Metodologia
As análises empregam abordagens de Teoria de Campo Eficaz (EFT) independentes de modelo sempre que aplicável, assumindo uma escala de massa de nova física ($\Lambda$) significativamente maior que a escala de energia do LHC. Isso permite a extração de limites para coeficientes de Wilson ($|C|$) para operadores de dimensão-6.

• Universalidade de Sabor de Léptons (LFU): A análise do ATLAS mede a razão das frações de ramificação do bóson $W$ para múons e elétrons ($R_{\mu/e}^W$) usando eventos $t\bar{t}$ em canais dileptônicos ($ee, e\mu, \mu\mu$). Para mitigar incertezas sistemáticas relacionadas à identificação de léptons, a análise explora a cinemática de decaimentos $Z \to \ell^+\ell^-$ e calcula uma razão dupla ($R_{\mu/e}^{WZ}$). Fatores de reponderação e medições de eficiência de isolamento in-situ são aplicados para alinhar a cinemática de elétrons e múons.
• Violação de Sabor de Léptons Carregados (cLFV): Três análises distintas buscam por cLFV na produção de top único e no decaimento de $t\bar{t}$:
  • CMS $e\mu$ Trilepton: Utiliza Árvores de Decisão Potencializadas (BDT) treinadas em regiões de massa invariante ($m(e\mu) > 150$ GeV para produção, massas menores para decaimento) para separar o sinal do fundo (background).
  • ATLAS $\mu\tau$ Trilepton: Seleciona decaimentos hádrons de $\tau$ ($\tau_{had}$) e utiliza a soma escalar dos momentos transversais ($H_T$) como a variável discriminante. Esta análise também interpreta os resultados no contexto de um modelo de leptoquark escalar ($S_1$) com acoplamentos hierárquicos.
  • CMS $\mu\tau$ Hadronic: Foca em eventos onde o bóson $W$ do SM decai hadronicamente. Emprega reconstrução cinemática via minimização de $\chi^2$ e uma Rede Neural Profunda (DNN) multiclasse treinada em 28 variáveis cinemáticas para distinguir sinais de cLFV de fundos de $t\bar{t}$.
• Violação do Número Bariônico (BNV): A análise do CMS busca vértices $tqq'\ell$ (violando tanto o número bariônico quanto o número leptônico) em processos de top único e $t\bar{t}$. Considera várias combinações de sabores de quarks ($q \in [d,s,b], q' \in [u,c]$) e utiliza um único BDT para extrair sinais nos canais $ee, e\mu,$ e $\mu\mu$.
• Léptons Neutros Pesados (HNL): A análise do ATLAS busca por HNLs ($N$) produzidos em decaimentos de $t\bar{t}$ através da cadeia $t \to N\ell, N \to W\ell$, resultando em dileptons de mesmo sinal ($ee$ ou $\mu\mu$) e decaimentos hádrons de $W$. A separação de sinal é alcançada usando BDTs separados para massas baixas de HNL (15–50 GeV) e altas ($>50$ GeV), com ajustes de verossimilhança de perfil (profile likelihood fits) aplicados aos dados.

Principais Resultados

• Medição de LFU: A medição do ATLAS produz $R_{\mu/e}^W = 0,9995 \pm 0,0045$. Este resultado é consistente com a suposição de LFU do SM e representa o teste mais preciso de universalidade $e$-$\mu$ até o momento, melhorando a média anterior do PDG.
• Limites de cLFV: Nenhum excesso significativo sobre as expectativas do SM foi observado em nenhum canal.
  • Limites para coeficientes de Wilson $|C|/\Lambda^2$ e frações de ramificação $B(t \to q\ell\ell')$ foram estabelecidos para quarks $u$ e $c$.
  • A análise $\mu\tau$ do ATLAS melhorou os limites indiretos anteriores por fatores de 7–41.
  • A análise de $\mu\tau$ hadrônica do CMS melhorou os limites anteriores de coeficientes de Wilson por um fator de dois.
  • Na interpretação de leptoquark, o ATLAS excluiu acoplamentos $\lambda_{LQ}$ de 1,3 a de 3,7 para massas $m_{S1}$ entre 0,5 e 2,0 TeV.
• Limites de BNV: A análise do CMS não encontrou excesso, estabelecendo limites superiores nas frações de ramificação de BNV que melhoram os resultados anteriores de 8 TeV por fatores de $10^3$ a $10^6$.
• Limites de HNL: A análise do ATLAS estendeu os limites existentes sobre a mistura de HNL com neutrinos muônicos na faixa de massa acima de 50 GeV, utilizando a topologia de decaimento $t\bar{t}$ pela primeira vez.

Significância e Alegações
O artigo afirma que estas análises constituem um extenso programa de buscas de BSM no setor do quark top, alcançando limites típicos de fração de ramificação na ordem de $10^{-6}$ a $10^{-8}$. Os autores destacam a utilidade da abordagem EFT para restrições independentes de modelo em interações de quatro férmions de dimensão-6. Além disso, a medição de precisão de LFU via processos de top serve como uma validação rigorosa do SM. O artigo conclui que os resultados atuais, derivados do conjunto de dados completo da Run 2, fornecem as restrições mais rigorosas até o momento sobre esses modos específicos de violação, sendo esperado que os futuros conjuntos de dados da Run 3 investiguem ainda mais as interações do quark top com precisão melhorada e novas técnicas.