Buscando partículas de alta masa con ATLAS

El detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se usa para buscar nuevas partículas que puedan existir más allá de lo que ya sabemos en física. Este estudio se centra en partículas de alta masa que pueden descomponerse en un cierto tipo de partícula, un Leptón, y un neutrino, que es un compañero invisible que se lleva energía pero no interactúa con la materia de la misma manera que las partículas normales.

#Colisiones Protón-Protón

Los investigadores usan colisiones de protones para encontrar estas partículas de alta masa. En este caso, las colisiones están ocurriendo a un nivel de energía muy alto de varios TeV, donde TeV significa tera-electrón voltios, una unidad de energía. Al chocar protones a esas energías tan altas, podemos crear condiciones similares a las que había justo después del Big Bang, lo que nos permite investigar fenómenos que no se ven en nuestra vida cotidiana.

#Análisis de los Datos

El análisis se basa en datos recolectados por el experimento ATLAS entre 2015 y 2018. Este conjunto de datos es considerable, con un total de 140 fb (femto-barns) de datos registrados. Para buscar las partículas, los científicos se enfocan en el leptón producido en el evento de descomposición y la energía faltante que puede atribuirse a los Neutrinos. Estudiando cómo el leptón y la energía faltante se equilibran, pueden inferir detalles sobre las posibles nuevas partículas.

#Encontrando Nueva Física

El objetivo principal de este trabajo es identificar cualquier señal de partículas que puedan sugerir nueva física, más allá del Modelo Estándar de la física de partículas, que ha explicado muchas interacciones de partículas hasta ahora. No se encontraron aumentos inesperados en eventos por encima de los niveles esperados, lo que llevó a los investigadores a establecer límites sobre cuán a menudo pueden producirse estas nuevas partículas.

#Estableciendo Límites en la Producción de Partículas

Al analizar los datos, los investigadores pueden establecer límites superiores sobre la frecuencia con la que se pueden crear estas partículas de alta masa en colisiones. Descubrieron que partículas pesadas, como los bosones vectoriales, no podrían existir con ciertas masas. Específicamente, encontraron que partículas con masas de hasta 5 TeV no podrían producirse al mismo ritmo que lo predice el Modelo Estándar, reforzando nuestra comprensión actual de la física de partículas.

#Acoplamientos No Universales

El estudio también investiga modelos teóricos que sugieren diferentes tipos de interacciones entre partículas. Esto se refiere a las interacciones de gauge no universales. Algunos modelos sugieren que las propiedades de estas nuevas partículas podrían ser diferentes según la familia de partículas con las que interactúan. El trabajo realizado aquí también excluyó ciertos modelos que no se alinean con los datos observados.

#Explicación del Detector ATLAS

El detector ATLAS es una máquina compleja diseñada para capturar datos de las colisiones de partículas. Está construido en forma cilíndrica y puede detectar una amplia gama de partículas gracias a su estructura multicapa. La parte interna tiene dispositivos de seguimiento que miden hacia dónde van las partículas después de las colisiones, mientras que varios calorímetros miden la energía de estas partículas.

#Reconstruyendo Eventos

Para entender las colisiones, los científicos necesitan reconstruir los eventos con precisión. Esto implica identificar las partículas creadas en las colisiones y medir sus propiedades, como su momento y energía. Las descomposiciones hadrónicas de leptones son uno de los enfoques principales, lo que hace crucial rastrear el comportamiento de las partículas que emanan del punto de colisión principal.

#Identificación de Tipos de Partículas

Identificar tipos de partículas es esencial. Diferentes tipos de leptones se descomponen de diferentes maneras, y los científicos utilizan algoritmos específicos y técnicas de aprendizaje automático para identificar estas partículas con precisión. Analizando la forma de los depósitos de energía y los patrones en los datos de seguimiento, los investigadores pueden categorizar e identificar los tipos de partículas involucradas.

#Consideración de Eventos de Fondo

En cualquier búsqueda de partículas, distinguir entre señales reales de posibles nuevas partículas y eventos de fondo de procesos conocidos es crucial. Para este estudio, los eventos de fondo provienen de procesos como jets, grupos de partículas producidas durante las colisiones, y otras partículas que pueden imitar la señal que estamos buscando.

#Estimaciones de Fondo Basadas en Datos

Para estimar el fondo en los datos de manera precisa, los investigadores utilizaron un método basado en datos. Se analizaron diferentes regiones de los datos que ayudan a comprender los fondos. Se establecieron regiones de control, mediante las cuales se aplicaron criterios de selección específicos para identificar eventos que no deberían contribuir a la señal.

#Eventos de Disparo

Cuando se recoge datos durante un experimento, se utilizan disparadores para seleccionar qué eventos se graban. Se establecen varios umbrales basados en las energías y tipos de partículas esperadas para reducir el número de eventos poco interesantes, asegurando que se recojan los datos más relevantes para el análisis.

#Incertidumbres Sistémicas

En cualquier medición, las incertidumbres son inevitables. Este estudio describe varias fuentes de incertidumbres sistemáticas, que pueden surgir de las condiciones experimentales, las respuestas del detector y los modelos teóricos utilizados para predecir el comportamiento de las partículas. Es esencial tener en cuenta estas incertidumbres para asegurar que los resultados sean sólidos.

#Análisis Estadístico

Un análisis estadístico es crucial al interpretar los datos recolectados. En este estudio, se utilizó un ajuste de verosimilitud perfilada para comparar qué tan bien se ajustan los datos observados al fondo esperado frente a la señal. Este método permite a los investigadores examinar sistemáticamente las contribuciones de varios factores y refinar sus conclusiones sobre la existencia de nuevas partículas.

#Conclusión

La búsqueda de nuevas partículas de alta masa utilizando el detector ATLAS no ha mostrado excesos más allá de las expectativas establecidas del Modelo Estándar. A través del análisis detallado de los datos de colisiones de protones, los investigadores han establecido límites en la producción de bosones gauge pesados y han explorado teorías de interacciones de gauge no universales.

#Estudios Futuros

Los estudios futuros buscarán recolectar más datos y refinar las técnicas de análisis, lo que podría mejorar la sensibilidad de las búsquedas de nuevas partículas. Este trabajo destaca la importancia de mantener la búsqueda de conocimiento abierta, ya que el universo a menudo revela fenómenos inesperados.