Buscar nuevas partículas de luz en el LHC

Este artículo habla sobre la búsqueda de partículas ligeras que podrían descomponerse en dos Jets, producidos ya sea con un Fotón de alta energía o con otro jet. Esta búsqueda se llevó a cabo en el detector ATLAS, que forma parte del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), donde los protones se chocan entre sí a niveles de energía muy altos, específicamente a 13 TeV. El enfoque está en los datos recolectados de 2015 a 2018.

#¿De qué trataba la búsqueda?

El objetivo clave era encontrar señales inusuales en la distribución de masa de los jets. Los científicos creen que podría haber nuevos tipos de partículas que se descomponen en jets, y estas aparecerían como un pico en los datos medidos. La búsqueda se centra en dos casos:

1. Fotón como radiación de estado inicial: Aquí, la partícula entrante es un fotón.
2. Jet como radiación de estado inicial: En este caso, la partícula entrante es otro jet.

En estos dos casos, examinaron ambos escenarios donde no hay requisitos específicos sobre los tipos de jets y donde ambos jets deben ser identificados como conteniendo un tipo de partícula llamada hadrón.

#Hallazgos de los datos

A pesar de estos esfuerzos, no se detectó ningún exceso o desviación significativa más allá de las expectativas establecidas por los modelos físicos existentes. Como resultado, se establecieron límites superiores para la probabilidad de que estas nuevas partículas fueran producidas. El estudio extendió efectivamente los límites sobre partículas ligeras que se descomponen en jets, cubriendo un rango de masas de 200 a 650 TeV.

#Antecedentes sobre la física de partículas

El Modelo Estándar de la física de partículas es una teoría bien establecida que explica cómo interactúan las partículas conocidas. Sin embargo, no toma en cuenta todo lo observado en el universo, como la Materia Oscura. La materia oscura es una sustancia misteriosa que no interactúa con la luz, haciéndola invisible y detectable solo a través de sus efectos gravitacionales.

En este contexto, los científicos están buscando nuevos tipos de partículas que podrían estar relacionadas con la materia oscura. Un enfoque es en partículas llamadas Bosones, que podrían actuar como intermediarios en estas interacciones.

#Importancia de buscar nuevas partículas

Las nuevas partículas pueden ayudar a explicar las fuerzas e interacciones no cubiertas por el Modelo Estándar. Las búsquedas actuales en el LHC ya han producido restricciones significativas sobre ciertos modelos. Sin embargo, algunas partículas hipotéticas pueden no interactuar con todas las partículas conocidas, haciéndolas más difíciles de detectar.

#Estrategias empleadas en la búsqueda

Se aplicaron dos estrategias principales en esta búsqueda:

1. Registrar información mínima: Esto implica capturar más datos de lo habitual con un umbral más bajo para eventos para explorar rangos de masa más bajos.
2. Radiación de estado inicial (ISR) alta: Aquí, el enfoque está en eventos donde un fotón o jet rebota contra los jets creados por la descomposición de partículas. Esta técnica ayuda a acceder a masas más bajas sin activar sesgos de los criterios de selección habituales.

El análisis involucró diferentes canales basados en la radiación de estado inicial y el sabor de los productos de descomposición.

#Roles de los jets y fotones

Los jets son flujos de partículas producidas después de que los protones colisionan. La búsqueda de nuevas partículas, por lo tanto, gira en torno a analizar cómo se comportan estos jets. Identificar los jets correctos es crucial, especialmente en casos donde los productos de descomposición están etiquetados como conteniendo ciertas partículas para mejorar la detección de señales.

#Canales de fotones

En los canales de fotones, se requiere que los eventos tengan un fotón activado con ciertos parámetros. La búsqueda se centra en los dos jets principales, su asimetría y cómo se comportan en comparación con eventos de fondo.

#Canales de trijet

En los canales de trijet, los eventos deben contener al menos tres jets. El desafío es identificar qué jets corresponden a la descomposición de la partícula hipotética.

#Detector utilizado: ATLAS

El detector ATLAS es un aparato complejo diseñado para capturar una amplia gama de interacciones de partículas. Tiene varias capas de diferentes detectores:

• Detector de seguimiento: Esto ayuda a rastrear las trayectorias de las partículas cargadas.
• Calorímetros: Estos miden la energía de las partículas.
• Espectrómetro de muones: Este identifica muones, que son parientes pesados de los electrones.

Juntos, estos componentes ayudan a los científicos a recopilar datos sobre colisiones de alta energía de manera efectiva.

#Recolección de datos y simulación

El análisis utilizó tanto datos reales como muestras simuladas para mejorar la precisión. Se basaron en gran medida en datos de colisiones de protones, con una luminosidad total recolectada durante el período designado.

Se utilizaron simulaciones de Monte Carlo para modelar tanto eventos de señal como de fondo. Estas simulaciones proporcionaron una estimación de cómo podría verse una señal, permitiendo a los investigadores comparar datos reales con resultados esperados.

#Criterios de selección de eventos

La selección de eventos incluyó varios requisitos para asegurar que los datos fueran relevantes para la búsqueda:

• Requisito de vértice primario: Los eventos deben tener un vértice primario con características específicas.
• Reconstrucción de jets: Los jets se reconstruyen usando un algoritmo específico que integra varias mediciones para asegurar precisión.
• Reconstrucción de fotones: Los fotones deben cumplir criterios estrictos de energía y aislamiento para reducir el ruido de fondo.

#Análisis de los resultados

Una vez que los eventos fueron seleccionados y reconstruidos, los científicos ajustaron los datos a modelos para extraer información significativa. Buscaron excesos localizados que indicaran señales potenciales de nuevas partículas.

Un método prominente utilizado se llama ajuste de verosimilitud, que combina estimaciones de fondo y señal para extraer información sobre posibles nuevas partículas.

#Incertidumbres sistemáticas

Varias incertidumbres podrían impactar los resultados, incluyendo:

• Mediciones de luminosidad: Cualquier error aquí podría afectar la normalización de los resultados.
• Escala de energía de jets: Variaciones en la escala de energía de los jets podrían alterar los cálculos de masa.
• Identificación de fotones: Errores en cómo se identifican los fotones pueden llevar a interpretaciones erróneas.

Estas incertidumbres fueron evaluadas sistemáticamente e incluidas en los modelos para asegurar fiabilidad.

#Conclusión

La búsqueda de resonancias ligeras que se descomponen en jets en asociación con fotones o jets no reveló ninguna evidencia significativa de nuevas partículas. A pesar de esto, el estudio proporcionó una imagen más clara de los límites sobre tales partículas, ayudando a dar forma a futuras direcciones de investigación en física de partículas. El trabajo también enfatizó la necesidad de continuar investigando modelos que puedan explicar fenómenos desconocidos en el universo.

Experimentos adicionales en el LHC y más allá podrían eventualmente llevar a descubrimientos que desafíen o expandan nuestra comprensión actual de la física de partículas. La búsqueda de nuevas partículas sigue siendo una frontera vital en la ciencia, con el potencial de desbloquear muchos de los misterios del universo.