A search for microscopic black holes, string balls, and sphalerons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Este artigo apresenta uma busca por buracos negros microscópicos, cordas de cordas e esfalerões em colisões próton-próton a 13 TeV com o detector CMS, estabelecendo novos limites de exclusão para buracos negros e cordas de cordas com massas abaixo de 8,4–11,4 TeV e 9,0–10,7 TeV, respectivamente, e um limite superior de 0,0034 para a fração de interações quark-quark acima do limiar de transição de esfalerões.

O essencial

Imagine que o universo é como uma grande cozinha, e o LHC (o Grande Colisor de Hádrons) no CERN é o fogão mais potente do mundo. Os cientistas do CMS (o detector que está "cozinhando" neste experimento) pegaram dois feixes de prótons (que são como pequenos ingredientes energéticos) e os jogaram um contra o outro a velocidades incríveis, quase a velocidade da luz.

O objetivo? Ver se, ao baterem, eles criam coisas que não deveriam existir segundo as regras atuais da física (o "Livro de Receitas" padrão). Eles estavam procurando por três "monstros" teóricos: Buracos Negros Microscópicos, Bolas de Corda e Esferalons.

Aqui está o resumo do que eles fizeram e descobriram, explicado de forma simples:

1. O Que Eles Estavam Procurando?

• Buracos Negros Microscópicos: Imagine que a gravidade (a força que nos mantém no chão) é muito fraca porque ela "vaza" para outras dimensões que não conseguimos ver. Se isso for verdade, quando duas partículas colidem com força suficiente, elas podem criar um buraco negro minúsculo, do tamanho de um átomo. Ele não ficaria lá para sempre; ele explodiria instantaneamente em uma chuva de partículas, como um balão de água estourando.
• Bolas de Corda (String Balls): Na teoria das cordas, as partículas fundamentais são como cordas vibrantes. Se você esticar essas cordas demais, elas podem se enrolar em uma "bola" gigante e excitada antes de se transformar em um buraco negro. É como se você enrolasse um elástico até ele ficar tão tenso que vira uma bola de borracha.
• Esferalons: Pense no universo como um terreno com várias colinas e vales. Às vezes, para ir de um vale para outro, você precisa subir uma montanha. Um "Esferalon" é como um evento raro onde as partículas conseguem "pular" essa montanha de energia, quebrando regras que normalmente são sagradas (como a conservação de matéria e antimatéria).

2. Como Eles Procuraram? (A Detetive de Padrões)

Eles analisaram 138 "bilhões de colisões" (uma quantidade gigantesca de dados) coletadas entre 2016 e 2018. Como saber se um desses "monstros" apareceu?

• O Método do "Caos" (Sphericity): Quando partículas comuns colidem, elas tendem a sair em direções previsíveis (como bolas de bilhar). Mas, se um buraco negro ou uma bola de corda se formasse e explodisse, ele jogaria partículas em todas as direções ao mesmo tempo, criando uma "bola de fogo" perfeitamente redonda e caótica. Os cientistas usaram um algoritmo de inteligência artificial (uma máquina de vetores de suporte) para identificar esses eventos "redondos" e caóticos, ignorando o ruído comum.
• A "Assinatura" de Energia: Eles mediram a soma total da energia de todas as partículas que saíram da colisão. Se algo novo tivesse sido criado, haveria muito mais energia do que o esperado.

3. O Que Eles Encontraram?

A resposta é: Nada.

Não houve explosões misteriosas, não houve bolas de corda e não houve saltos quânticos estranhos. O que eles viram foi exatamente o que o "Livro de Receitas" padrão (o Modelo Padrão da Física) previa: apenas partículas comuns se comportando de forma comum.

Mas isso é uma notícia ruim?
Não! É uma notícia excelente.

Pense assim: Se você está procurando um fantasma em uma casa e não vê nenhum, você não está decepcionado; você está confirmando que a casa é segura e que as regras da física que conhecemos estão corretas.

4. O Que Isso Significa para o Futuro?

Embora não tenham encontrado os monstros, eles empurraram as fronteiras do conhecimento:

• Regra de "Não Existência": Eles conseguiram dizer com 95% de certeza que, se esses buracos negros ou bolas de corda existirem, eles precisam ser muito mais pesados do que os cientistas achavam antes. É como dizer: "Se existe um dragão, ele não pode ser pequeno; ele tem que ser do tamanho de um elefante". Isso obriga os teóricos a ajustarem suas teorias.
• Melhorando o Mapa: Eles criaram limites muito mais rigorosos. Se a "teoria das dimensões extras" estiver certa, o "buraco negro" só pode ser formado se a energia for muito maior do que o LHC consegue produzir hoje. Isso nos diz onde devemos procurar no futuro (em colisores ainda mais potentes).
• Tecnologia de Ponta: O método que eles usaram para separar o sinal do ruído (usando inteligência artificial e geometria de espaço de fase) é uma ferramenta poderosa que pode ser usada em outras pesquisas, não apenas nessa.

Resumo Final

Os cientistas do CMS jogaram uma festa de partículas gigantesca, esperando ver "monstros" teóricos aparecerem. Ninguém apareceu. Mas, ao provar que esses monstros não estão escondidos nos lugares onde procuramos, eles nos deram um mapa mais preciso do universo. Eles disseram: "Aqui não tem nada novo, mas se tiver, tem que estar muito mais longe e pesado do que imaginávamos."

É como procurar um tesouro em uma ilha: não achamos o baú, mas mapeamos a ilha com tanta precisão que sabemos exatamente onde não precisamos cavar mais.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Busca por Buracos Negros Microscópicos, Bolas de Corda e Esfalerons no CMS

1. O Problema e o Contexto Físico

Este trabalho apresenta uma busca por três objetos teóricos preditos em escalas de energia do TeV, que surgem em cenários além do Modelo Padrão (MP):

• Buracos Negros Microscópicos (BHs): Previstos em modelos com dimensões extras (como os modelos ADD e Randall-Sundrum), onde a escala de Planck fundamental ($M_D$) é reduzida para a escala eletrofraca. Se formados, decairiam rapidamente via radiação Hawking em muitas partículas energéticas.
• Bolas de Corda (String Balls - SBs): Estados altamente excitados da teoria das cordas que existem na região entre a escala de Planck e o limiar de formação de buracos negros.
• Esfalerons: Soluções instáveis no setor eletrofraco que permitem a violação dos números bariônico ($B$) e leptônico ($L$). A transição esfaleron requer uma energia de barreira de potencial estimada em torno de 9 TeV.

O objetivo é investigar se esses fenômenos ocorrem em colisões próton-próton a $\sqrt{s} = 13$ TeV, utilizando dados do detector CMS no LHC.

2. Metodologia e Análise de Dados

A análise baseia-se em dados coletados entre 2016 e 2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb⁻¹. A estratégia emprega duas abordagens distintas para a estimativa de fundo e definição de limites:

• Seleção de Eventos e Reconstrução:

  • Os eventos são selecionados com base na soma escalar dos momentos transversos de todos os objetos ($S_T$), com limiares de gatilho (trigger) de 900 GeV (2016) e 1050 GeV (2017-2018).
  • Requisitos de pré-seleção incluem $S_T > 2$ TeV e uma exigência de esfericidade ($S > 0.1$) para rejeitar eventos de fundo do QCD (multijatos), que tendem a ser mais colimados, enquanto os sinais de BSM (física além do Modelo Padrão) são mais isotrópicos.
  • Objetos reconstruídos incluem jatos, elétrons, fótons, múons e momento transversal faltante ($p_T^{miss}$).

• Duas Estratégias de Busca:

  1. Busca Independente de Modelo (Model-Independent):
     • Utiliza o método de Invariância de Forma (Shape Invariance - SI). Assume-se que a forma da distribuição de $S_T$ para o fundo de QCD é independente da multiplicidade de objetos ($N$).
     • O fundo é modelado em regiões de controle (baixa multiplicidade) e extrapolado para regiões de sinal (alta multiplicidade) usando funções analíticas ajustadas.
  2. Busca Dependente de Modelo (Model-Dependent):
     • Utiliza uma nova métrica de distância no espaço de fases (Phase Space Distance), baseada na geometria intrínseca do espaço de fases de N-corpos.
     • Essa métrica é combinada com um classificador de Máquina de Vetores de Suporte (SVM) para distinguir eventos de sinal (com características cinemáticas distintas) do fundo de QCD.
     • O fundo é estimado usando o método "Alphabet", que utiliza uma região de controle (FAIL, com pontuação SVM baixa) para prever o fundo na região de sinal (PASS, com pontuação SVM alta) através de uma função de transferência.

3. Contribuições Chave e Inovações

• Nova Métrica de Espaço de Fases: A introdução de uma métrica geométrica baseada na distância entre eventos no espaço de fases, combinada com aprendizado de máquina (SVM), representa uma evolução significativa na discriminação de sinais de alta multiplicidade contra o fundo do QCD.
• Atualização de Dados: O uso do conjunto de dados completo de Run 2 (138 fb⁻¹) em comparação com análises anteriores (ex: 35.9 fb⁻¹), permitindo um aumento substancial na sensibilidade.
• Melhoria na Simulação: A atualização das Distribuições de Partões (PDFs) de MSTW2008LO para NNPDF3.1 (NLO/NNLO) resultou em uma melhoria significativa na previsão da taxa de sinal, especialmente para eventos que sondam grandes frações de momento dos partões.
• Limites Model-Independent: Estabelecimento de limites gerais para fenômenos físicos com múltiplos jatos, léptons e fótons energéticos, sem assumir um modelo específico de produção.

4. Resultados Principais

Não foram observados desvios significativos em relação às previsões do Modelo Padrão. Os limites de exclusão foram estabelecidos ao nível de confiança de 95% (CL):

• Buracos Negros e Bolas de Corda:

  • Buracos Negros Semiclássicos: Massas abaixo de 8,4 – 11,4 TeV foram excluídas, dependendo do modelo (BLACKMAX ou CHARYBDIS2) e do número de dimensões extras ($n$).
  • Bolas de Corda: Massas abaixo de 9,0 – 10,7 TeV foram excluídas.
  • Comparação: A análise estende o alcance de exclusão em 1,0–1,6 TeV para BHs e 1,3–1,9 TeV para SBs em comparação com buscas anteriores do CMS.
  • Dimensões Extras: Para a maioria dos modelos, mais de duas dimensões extras são excluídas para certas combinações de $M_D$ e massa mínima do buraco negro ($M_{min}^{BH}$).

• Esfalerons:

  • Foi estabelecido um limite superior de 0,0034 (95% CL) para a fração de interações quark-quark acima do limiar de energia de transição esfaleron (9 TeV) que sofrem a transição.
  • Este limite é aproximadamente 6,2 vezes mais rigoroso que o melhor limite anterior do CMS (0,021).

5. Significância e Impacto

• Avanço Experimental: Este trabalho representa a busca mais rigorosa até o momento por esses objetos exóticos no LHC, aproveitando o aumento da luminosidade e técnicas analíticas avançadas (esfericidade e métricas de espaço de fases).
• Restrição Teórica: Os resultados impõem restrições severas aos modelos de dimensões extras (ADD/RS) e à teoria das cordas, forçando os parâmetros desses modelos (como a escala de Planck fundamental e a escala de corda) para escalas de energia mais altas do que o alcançado anteriormente.
• Método Analítico: A demonstração de sucesso do método de distância no espaço de fases combinado com SVM abre caminho para futuras buscas de nova física em canais de alta multiplicidade, onde a separação sinal-fundo é desafiadora.
• Física de Esfalerons: A melhoria drástica no limite do fator pré-exponencial para esfalerons fornece uma restrição crucial para teorias que tentam explicar a assimetria matéria-antimatéria no universo através de violação de número bariônico em altas energias.

Em resumo, a análise confirma a robustez do Modelo Padrão na escala de TeV até os limites atuais de sensibilidade, mas estabelece novos patamares de exclusão que guiarão o desenvolvimento teórico e as futuras buscas no LHC de Alta Luminosidade (HL-LHC).