Nuevos hallazgos sobre la producción de quarks top en el LHC

En el mundo de la física de partículas, el quark top es un personaje bastante pesado. De hecho, es la partícula fundamental más pesada conocida. A los científicos les interesa mucho porque sus rasgos únicos, como su peso y su existencia súper corta, lo convierten en un gran tema para examinar el Modelo Estándar de la física. En el experimento CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), se han hecho nuevas mediciones sobre la Producción de pares de quarks top y quarks top solitarios.

#¿Qué Estamos Midiendo?

Dos tipos de mediciones nos llaman la atención:

1. Producción de pares de quarks top.
2. Producción de un quark top solitario asociado con un bosón W.

Los experimentos se han centrado en colisiones de protones-protones, donde dos protones chocan entre sí, casi como un paseo de autos chocadores cósmico. ¡Los niveles de energía y las condiciones para estas pruebas importan un montón!

#La Configuración

Para la primera medición, se analizaron datos de 2017 a una energía de centro de masa de 5.02 TeV, como si subieran el dial de energía para ver qué pasa. Se revisaron 302 picobarns (que es una unidad de área muy pequeña) de datos, resultando en una sección eficaz medida que coincidía con lo que los físicos esperaban según el Modelo Estándar.

Para la segunda medición, se utilizaron datos de 2022, a una energía de CM de 13.6 TeV con una Luminosidad integrada de 34.7 femtobarns. Puedes pensar en la luminosidad como la cantidad de "cosas" que están sucediendo con el tiempo. Los resultados fueron consistentes con las predicciones esperadas para la producción de quarks top solitarios.

#¿Por Qué Importan los Quarks Top?

Los quarks top no son solo pesos pesados; ayudan a los científicos a probar el Modelo Estándar. Este modelo es como el libro de reglas definitivo de la física de partículas. Al medir la producción de quarks top, los investigadores pueden determinar qué tan bien se sostiene el modelo y si hay sorpresas al acecho, insinuando nueva física.

Los pares de quarks top son particularmente importantes porque pueden servir como un vistazo a reinos más allá de nuestra comprensión actual. La producción de quarks top solitarios también es reveladora, ya que puede proporcionar información sobre ciertos parámetros de la matriz Cabbibo-Kobayashi-Maskawa, que es clave para entender cómo interaccionan diferentes partículas.

#Desglosando: Producción de Pares de Quarks Top

Vamos a profundizar un poco más en el primer análisis. El experimento de 5.02 TeV tenía una estructura bien planeada. Los investigadores se aseguraron de que el entorno tuviera poco ruido de fondo, casi como intentar escuchar un susurro en una biblioteca tranquila. Los participantes (los quarks top, en este caso) eran mucho más fáciles de encontrar sin interferencia de otras colisiones.

Un montón de otros jugadores potenciales fueron considerados como ruido de fondo, incluyendo eventos donde podrían ocurrir quarks top solitarios, tanto por su cuenta como junto a bosones W, y otros tipos de interacciones. Se utilizaron varias técnicas basadas en datos para ayudar a estimar estas contribuciones de fondo.

#Uniendo las Piezas

Para mejorar la claridad de la señal, los investigadores establecieron criterios estrictos: requerían exactamente un leptón identificado (piensa en ello como un post-it en el que te enfocas en qué partícula) y al menos tres jets, que son los subproductos de las colisiones. De esta manera, podían categorizar los eventos según el número de jets y cuántos de esos jets estaban etiquetados como b, lo que significa que identificaron cualidades específicas que indicaban la presencia de quarks b.

Se definieron diferentes categorías basadas en estas selecciones, y luego le dieron a cada categoría un apodo como “3j1b” o “4j2b.” Suena pegajoso, ¿verdad? A través de un ajuste de máxima verosimilitud, pudieron extraer la sección eficaz inclusiva, esencialmente la probabilidad estadística de producir pares de quarks top de este tipo de colisión.

#Los Resultados

Después de procesar los números y examinar los datos, la sección eficaz inclusiva medida resultó ser un número que satisface todas las expectativas de los físicos. ¡Este resultado es la medición más precisa hecha por el experimento CMS en ese nivel de energía! Coincide muy bien con mediciones anteriores. ¿Las principales incertidumbres? Se relacionaban principalmente con los datos de luminosidad y cuán bien podían identificar quarks b.

#Pasando a la Producción de Quarks Top Solitarios

Ahora, pasemos al segundo análisis, que involucra la producción de un quark top solitario asociado con un bosón W a 13.6 TeV. La configuración aquí fue un poco diferente, ya que los investigadores utilizaron tanto disparadores de dileptones como de un solo leptón, lo que es como decidir si hacer una gran fiesta o una cena íntima; ¡ambas requieren una planificación cuidadosa!

También se consideraron procesos de fondo similares aquí, y se analizaron diferentes tipos de eventos. En esta prueba, estaban buscando señales específicas que indicaran la presencia de leptones de sabor y carga opuestos junto a los jets.

#Más Categorías para Más Claridad

Al igual que antes, los eventos se clasificaron en categorías según el número de jets y jets etiquetados como b. Los investigadores tenían un interés particular en tres categorías: 1j1b, 2j1b y 2j2b. Este era el plan para medir tanto secciones eficaces inclusivas como diferenciales.

Para extraer datos significativos, entrenaron clasificadores para ayudar a distinguir entre la señal del quark top y los eventos de fondo. Es como enseñar trucos nuevos a un perro, solo que el perro es un algoritmo complejo y los trucos implican reconocer diferencias sutiles en el comportamiento de partículas.

#Mediciones Finales y Conclusiones

Una vez que procesaron la información, la sección eficaz inclusiva para este experimento salió bien, alineándose con las predicciones del Modelo Estándar. Durante el análisis aparecieron varias incertidumbres, principalmente relacionadas con las mediciones de energía de los jets y la eficiencia para identificar quarks b.

Dieron un paso más al examinar secciones eficaces diferenciales para diferentes variables, utilizando métodos de simulación para confirmar que la realidad y la teoría están en la misma página.

En conclusión, la Colaboración CMS ha proporcionado dos mediciones emocionantes y precisas sobre la producción de quarks top a través de sus análisis recientes. Ambos resultados fueron consistentes con las expectativas establecidas por el Modelo Estándar y representan pasos importantes para entender el universo a nivel fundamental. Los científicos continúan adelante, tratando de descifrar los misterios codificados en estas pequeñas partículas, y quién sabe qué otras sorpresas esperan en las profundidades de la física de partículas.