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Search for top quark flavor-changing neutral currents in multilepton final states using an effective field theory approach in proton--proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb $^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a $\sqrt{s}$ = 13 TeV coletados pelo detector CMS, este estudo apresenta a primeira busca global simultânea por correntes neutras de sabor que mudam o sabor do quark topo dentro da estrutura da Teoria de Campo Efetivo do Modelo Padrão, estabelecendo os limites mais rigorosos até o momento para os coeficientes de Wilson relevantes e frações de ramificação de decaimento sem observar qualquer evidência para tais interações.

Autores originais: CMS Collaboration

Publicado 2026-08-21

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CC BY 4.0

Autores originais: CMS Collaboration

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

No universo da física subatômica, existe um conjunto de regras conhecido como Modelo Padrão, que descreve como os menores blocos de construção da matéria interagem. Por décadas, este modelo tem sido notavelmente bem-sucedido, mas deixa algumas questões sem resposta. Um dos mistérios mais persistentes envolve o quark top, a partícula elementar mais pesada conhecida. De acordo com o Modelo Padrão, um quark top quase nunca deveria mudar sua identidade para um quark mais leve, como um quark up ou um charm, sem trocar de parceiro com uma partícula carregada. Essa restrição é tão estrita que se prevê que tal evento ocorra tão raramente que é efetivamente imposs vezes de observar. No entanto, muitos físicos suspeitam que essa regra possa ser quebrada por novas forças ou partículas não descobertas que existem além do nosso entendimento atual. Se um quark top fosse algum dia visto mudando seu sabor sem uma troca de carga, seria um sinal claro de que o Modelo Padrão está incompleto e que uma nova física está à espera de ser descoberta.

Uma equipe de cientistas trabalhando com o detector CMS no Grande Colisor de Hádrons, na Suíça, conduziu agora a busca mais abrangente até o momento por esses eventos raros. Eles analisaram uma coleção massiva de dados de colisões próton-próton, representando uma exposição total de 138 femtobarns inversos, o que corresponde à quantidade de dados coletados ao longo de vários anos de operação em um nível de energia de 13 tera-elétron-volts. Em vez de procurar por apenas um tipo específico de nova interação, os pesquisadores lançaram uma rede ampla usando uma estrutura chamada Teoria de Campo Efetivo do Modelo Padrão. Esta abordagem permite que eles testem um vasto número de possíveis novas interações simultaneamente, tratando-as como pequenos ajustes nas leis conhecidas da física, em vez de assumir que exista uma única nova partícula. Eles focaram sua busca em uma assinatura específica e desafiadora: colisões que produziram três ou mais partículas carregadas conhecidas como léptons, que incluem elétrons e múons, muitas vezes carregando a mesma carga elétrica.

Os pesquisadores peneiraram bilhões de eventos de colisão para encontrar os poucos que correspondiam aos seus critérios. Eles procuravam por um padrão muito específico onde um quark top poderia ter interagido com um bóson, como um bóson de Higgs ou Z, ou diretamente com um par de léptons, causando sua decomposição de uma maneira incomum. Para distinguir esses sinais raros do enorme pano de fundo de colisões comuns, a equipe usou algoritmos de computador sofisticados treinados para reconhecer as diferenças sutis na energia e na direção das partículas produzidas. Eles organizaram os dados em diferentes categorias baseadas no número de jatos, que são jatos de partículas criados por quarks, e no número de jatos com marcação b (b-tagged), que são jatos identificados como provavelmente oriundos de um quark bottom. Essa classificação cuidadosa permitiu que eles isolassem as regiões onde um novo sinal seria mais visível.

Após realizar sua análise, os cientistas não encontraram evidências das correntes neutras de mudança de sabor que estavam caçando. Os dados corresponderam perfeitamente às previsões do Modelo Padrão, sem desvios significativos que sugerissem nova física. Este resultado é significativo porque estabelece os limites mais estritos até agora sobre a frequência com que um quark top pode mudar seu sabor através dessas interações específicas. Ao testar vinte e quatro parâmetros teóricos diferentes ao mesmo tempo, a equipe estabeleceu um novo marco global para futuros experimentos. Embora não tenham encontrado as novas partículas que esperavam, seu trabalho efetivamente descarta uma ampla gama de possibilidades de como a nova física poderia se manifestar no setor do quark top. O estudo confirma que, dentro da precisão de suas medições, o quark top se comporta exatamente como o Modelo Padrão prevê, mantendo a porta fechada para muitas teorias que sugeriam o contrário.

Resumo Técnico: Busca por Correntes Neutras com Mudança de Sabor do Quark Top em Estados Finais Multileptônicos

Problema e Motivação
No Modelo Padrão (SM), processos de correntes neutras com mudança de sabor (FCNC) envolvendo o quark top são altamente suprimidos pelo mecanismo de Glashow–Iliopoulos–Maiani, com frações de ramificação previstas no nível de $O(10^{-12})$ ou menores. No entanto, várias extensões do SM, como a supersimetria que viola a paridade R e modelos com setores de Higgs estendidos, preveem taxas de FCNC aumentadas que poderiam ser observáveis no Large Hadron Collider (LHC). Embora buscas anteriores pelas colaborações ATLAS e CMS tenham investigado interações de FCNC do quark top mediadas por partículas específicas (Higgs, glúon, fóton ou bóson Z) individualmente, esses estudos tipicamente negligenciam correlações ou efeitos de interferência entre diferentes mediadores e não consideram FCNCs decorrentes diretamente de estados pesados Além do Modelo Padrão (BSM). Esta análise aborda essas limitações ao realizar uma busca global dentro do arcabouço da Teoria de Campos Eficaz do Modelo Padrão (SMEFT), restringindo simultaneamente todos os operadores relevantes.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton–próton coletados pelo detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb $^{-1}$ . A busca visa estados finais multileptônicos contendo ou dois léptons carregados de mesma sinalidade ( $2\ell_{ss}$ ) ou três léptons ( $3\ell$ ), exigindo exatamente um jato com marcação de $b$ (b-tagged jet).

Arcabouço Teórico: O estudo emprega o formalismo SMEFT, estenddo o Lagrangiano do SM com operadores de dimensão seis. Foca-se em um conjunto reduzido de 24 coeficientes de Wilson (WCs) que mediam diretamente interações de FCNC nas transições de quark top ($tu $e$ tc$). Estes incluem operadores envolvendo dois quarks e um bóson (Higgs, W, Z, fóton, glúon) e operadores envolvendo dois quarks e dois léptons. Para reduzir o número de parâmetros livres, a análise assume forças de acoplamento iguais para os campos de quark top de mão esquerda e direita e um WC comum para os três sabores de léptons carregados em operadores de dois-quark–dois-lépton.
Seleção de Eventos e Categorização: Os eventos são categorizados com base na multiplicidade de léptons e na massa invariante. O canal $3\ell$ é subdividido nas categorias "on-Z" (contendo um par de léptons de sinal oposto e mesma espécie com massa invariante próxima a $m_Z$ ) e "off-Z" (massa invariante longe de $m_Z$ ) para distinguir entre processos mediados pelo Z e operadores de dois-quark–dois-lépton. Regiões de sinal (SR) são definidas por exatamente um jato $b$ , enquanto regiões de controle (CR) com mais de um jato $b$ são utilizadas para restringir os backgrounds.
Extração de Sinal: Discriminantes multivariados são construídos usando Árvores de Decisão Potencializadas (Boosted Decision Trees - BDT). As características de entrada incluem variáveis cinemáticas de léptons, jatos e jatos $b$ , bem como a cinemática reconstruída do quark top e do bóson (Higgs ou Z) derivada pelo algoritmo de reconstrução "jigsaw". Os BDTs são treinados para separar sinais de FCNC de backgrounds irredutíveis do SM (ex: $t\bar{t}W$ , $t\bar{t}Z$ , diboson) e backgrounds redutíveis (léptons não prontos, má identificação de carga, conversões de fótons).
Análise Estatística: Uma análise de máxima verossimilhança binuada simultânea é realizada através de todas as categorias e períodos de coleta de dados. O rendimento esperado do sinal é parametrizado como uma função quadrática dos 24 WCs. Incertezas sistemáticas, incluindo efeitos experimentais (luminosidade, eficiências de lépton/jato) e incertezas teóricas (PDFs, variações de escala, seções de choque de background), são tratadas como parâmetros de incerteza (nuisance parameters). Intervalos de confiança são derivados via varreduras de verossimilhança de perfil (profile likelihood scans).

Principais Contribuições

Ajuste Global SMEFT: Este trabalho apresenta a primeira busca global para FCNCs do quark top dentro do arcabouço SMEFT, onde todos os WCs relevantes são restringidos simultaneamente em um único ajuste aos dados.
Sonda Direta de Operadores de Dois-Quark–Dois-Lépton: A análise fornece as primeiras restrições experimentais diretas sobre processos de FCNC mediados por operadores de dois-quark–dois-lépton, uma classe de interações anteriormente não investigada neste contexto.
Arcabouço Unificado: Ao tratar modos de produção e decaimento simultaneamente e considerar interferência e correlações, a análise estabelece um arcabouço para futuras medições e combinações no LHC.

Resultos
Nenhuma evidência para interações de FCNC foi observada; os dados são consistentes com a previsão do SM. A análise estabelece intervalos de confiança de 68% e 95% para todos os 24 coeficientes de Wilson.

Coeficientes de Wilson: Limites são colocados nos coeficientes associados às transições $tu $e$ tc$, incluindo aqueles mediados pelo Higgs ( $c_{t\phi}$ ), bóson Z ( $c_{tZ}$ , $c_{\phi Q}$ , $c_{\phi t}$ ), fóton ( $c_{tA}$ ), glúon ( $c_{tG}$ ) e operadores de quatro férmions ( $c_{t\ell}$ , $c_{te}$ , etc.).
Frações de Ramificação: Os limites nos coeficientes de Wilson são traduzidos em restrições nas frações de ramificação de decaimento FCNC do quark top. Os resultados estabelecem os limites mais rigorosos até o momento para as frações de ramificação de decaimento FCNC do quark top via interações de dois-quark–dois-lépton. Os limites superiores para $B(t \to Hq)$ e $B(t \to Zq)$ dentro do arcabouço EFT são encontrados como sendo similares ou mais restritivos que resultados anteriores baseados em acoplamentos anômalos.

Significância
O artigo afirma que estes resultados constituem as primeiras restrições simultâneas sobre o conjunto completo de operadores de FCNC de quark top relevantes no SMEFT. Ao fornecer um marco global, a análise facilita futuras combinações de medições de FCNC do quark top no LHC. Além disso, oferece as primeiras restrições experimentais diretas sobre processos de FCNC mediados por operadores de dois-quark–dois-lépton, expandindo significativamente o escopo da busca por física além do Modelo Padrão no setor do quark top.

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