Search for ttbar resonances in final states with exactly one or two leptons using 140 fb of pp collision data at TeV with the ATLAS experiment
O experimento ATLAS analisou 140 fb de dados de colisões próton-próton a 13 TeV em estados finais com um ou dois léptons para buscar ressonâncias pesadas de spin-1 e spin-2 que decaem em pares de quarks topo-antitopo, não encontrando desvios significativos do Modelo Padrão e estabelecendo limites de exclusão para bósons hipotéticos, gravitons de Kaluza-Klein e glúons de Kaluza-Klein.
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O universo é construído sobre uma base de partículas e forças que os físicos passaram um século mapeando. Este mapa, conhecido como o Modelo Padrão, explica com sucesso como os blocos de construção conhecidos da matéria interagem. No entanto, ele é incompleto. Ele deixa de fora a gravidade, a força que mantém os planetas em órbita, e não oferece explicação para o porquê de algumas partículas serem incrivelmente pesadas enquanto outras são quase sem peso. Para preencher essas lacunas, cientistas propuseram que existem partículas mais pesadas e não descobertas espreitando logo além do nosso alcance atual. Essas partículas hipotéticas seriam massivas, muito mais pesadas do que qualquer coisa que já criamos, e poderiam decair em pares de quarks top, as partículas elementares mais pesadas conhecidas. Encontrar tal partícula pesada seria uma descoberta monumental, sinalizando que as leis da natureza são mais ricas e complexas do que sugerem nossas teorias atuais.
Para caçar esses gigantes esquivos, o experimento ATLAS no Grande Colisor de Hádrons, na Suíça, colide prótons a velocidades próximas à da luz. Quando esses prótons colidem, eles liberam energia suficiente para criar brevemente partículas pesadas que não existem na natureza sob condições normais. Se uma nova partícula pesada nasce em tal colisão, ela se desintegraria quase instantaneamente em um par de quarks top. O desafio é que os quarks top são instáveis e decaem imediatamente em outras partículas, criando uma dispersão caótica de detritos que é difícil de distinguir dos bilhões de colisões comuns que ocorrem a cada segundo. Os pesquisadores devem filtrar esse ruído, procurando por uma assinatura específica: um par de quarks top que pareçam ter vindo de uma única fonte massiva, em vez do jumble aleatório de colisões padrão.
Uma equipe de cientistas usando o detector ATLAS realizou agora a busca mais abrangente até o momento por essas ressonâncias pesadas. Eles analisaram um conjunto massivo de dados contendo 140 femtobarns inversos de dados de colisão, coletados ao longo de vários anos em um nível de energia de 13 teraeletronvolts. Isso representa a coleção completa de dados da segunda grande fase do colisor. A equipe focou em duas maneiras específicas pelas quais os quarks top poderiam decair: uma onde um único elétron ou múon é produzido ao lado de outras partículas, e outra onde dois desses tipos de partículas são produzidos. Ao combinar essas duas abordagens, eles foram capazes de procurar sinais através de uma vasta gama de massas, de 400 gigaeletronvolts até 5 teraeletronvolts. Eles estavam procurando por partículas que pudessem ser ou muito estreitas, aparecendo como um pico agudo nos dados, ou muito largas, aparecendo como uma colina suave e extensa.
Os pesquisadores construíram um modelo computacional detalhado do que o universo deveria parecer se apenas as partículas conhecidas do Modelo Padrão estivessem presentes. Eles então compararam este modelo contra os dados reais registrados pelo detector. Eles procuraram por qualquer desvio, qualquer lugar onde os dados reais mostrassem mais eventos do que o modelo previa, o que indicaria a presença de uma nova partícula. Após contabilizar cuidadosamente cada fonte conhecida de erro e incerteza, desde a forma como o detector mede a energia até os cálculos teóricos de como as partículas se comportam, eles não encontraram tal desvio. Os dados coincidiram perfeitamente com a previsão do Modelo Padrão em todo o espectro de massa examinado.
Como nenhuma nova partícula foi encontrada, a equipe não relatou uma descoberta, mas sim um conjunto de limites rigorosos. Eles estabeleceram que, se certos tipos de partículas pesadas existem, elas não podem ser mais leves do que limites de massa específicos. Por exemplo, eles descartaram a existência de um tipo específico de partícula pesada, conhecida como bóson Z-prime, com uma massa de até 4,2 teraeletronvolts se for estreita, ou até 3,65 teraeletronvolts se for ligeiramente mais larga. Eles também excluiram um tipo diferente de partícula pesada, um glúon de Kaluza-Klein, com massas de até 4,1 teraeletronvolts. Para outro candidato, um gráviton de Kaluza-Klein, eles excluiram massas de até 1,3 teraeletronvolts. Estes limites são os mais rigorosos já estabelecidos para esses tipos específicos de partículas nos canais de decaimento estudados.
A busca cobriu uma ampla variedade de possibilidades teóricas, incluindo modelos que sugerem dimensões extras de espaço ou novas forças que interagem fortemente com o quark top. Embora os resultados não confirmem a existência dessas novas partículas, eles fornecem um guia crucial para o futuro. Ao dizer aos cientistas exatamente onde essas partículas não estão, o estudo estreita o campo de possibilidades. Ele força os teóricos a refinar suas ideias, empurrando a massa potencial dessas novas partículas ainda mais alto ou sugerindo que elas podem interagir de maneiras que sejam ainda mais difíceis de detectar. O trabalho é um testemunho do poder da medição de precisão, provando que, mesmo na ausência de uma descoberta, saber o que não está lá é um passo vital para entender o que está.
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