Buscando Leptones Emocionantes y Leptoquarks

Este artículo habla sobre una búsqueda reciente de una categoría especial de partículas conocidas como leptones excitados y Leptoquarks. Estas partículas se buscan en eventos donde producimos dos leptones excitados y dos o más jets (grupos de partículas) a partir de colisiones de protones. Los experimentos se llevaron a cabo en el Detector ATLAs, que forma parte del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), entre 2015 y 2018. La cantidad total de datos utilizados en esta búsqueda es de 139 fb.

#¿Qué son los leptones excitados y los leptoquarks?

Los leptones excitados no son solo leptones normales; son más pesados y pueden descomponerse en leptones normales y un par de quarks (que son componentes de protones y neutrones). Por otro lado, los leptoquarks son partículas hipotéticas que pueden conectar leptones (como electrones) con quarks. Si los leptoquarks existen, podrían explicar algunos misterios en la física de partículas.

#El experimento

En este experimento, se analizaron datos de colisiones proton-proton para ver si hay signos de leptones excitados o leptoquarks. Se asume que los leptones excitados se producen y descomponen a través de interacciones específicas descritas por un modelo de física de partículas.

El enfoque estaba en condiciones donde dos leptones excitados se descomponen en dos leptones normales y jets. Sin embargo, no se encontró evidencia significativa que pudiera indicar la presencia de estas partículas.

#Resultados

El estudio no encontró puntos en los datos que sugirieran la existencia de leptones excitados o leptoquarks. Específicamente dijeron que si los leptones excitados existen, deben pesar menos de 2.8 según lo medido en este experimento. Si tomamos otra suposición respecto a su escala de interacción, encontramos que deben pesar menos de 4.6. Para los leptoquarks, si suponemos que se descomponen en un quark específico y un leptón, deben pesar menos de 1.3.

#Procesos de fondo

En cualquier experimento de física de partículas, es crucial entender cuáles son los eventos normales esperados, conocido como el fondo. Los principales fondos en este análisis vinieron de eventos que involucraban partículas conocidas como bosones W y Z (tipos de bosones de gauge) y eventos que involucraban quarks top, así como eventos donde jets fueron mal identificados como leptones.

#El detector ATLAS

El detector ATLAS es un instrumento complejo que captura datos de colisiones de alta energía en el LHC. Tiene varios componentes, incluyendo dispositivos de seguimiento, calorímetros para medir energía y detectores de muones, todos los cuales ayudan a identificar y medir las partículas producidas en las colisiones.

#Recolección de datos y simulación

Se recolectaron datos de colisiones durante la Run 2 del LHC, capturando miles de eventos. Para analizar los datos, se utilizaron simulaciones de Monte Carlo para modelar tanto los eventos de señal (los que esperábamos observar) como los eventos de fondo (los que esperábamos). Estas simulaciones ayudan a estimar la probabilidad de que ocurran varios eventos.

#Reconstrucción de eventos

En este análisis, se reconstruyeron los eventos de interés a partir de los datos de colisión. Se aplicaron reglas para identificar y clasificar partículas, asegurando que se minimizaran las señales falsas de jets mal identificados. Esto involucró varios algoritmos para mejorar la precisión de la identificación de partículas.

#Métodos estadísticos

Para evaluar si algún exceso de eventos indicaba un posible descubrimiento, se emplearon métodos estadísticos. El análisis involucró comparar los datos observados con las predicciones hechas a partir de modelos de fondo. Esta comparación estadística es esencial para determinar si alguna señal era lo suficientemente significativa como para sugerir la presencia de nueva física.

#Conclusión

La búsqueda de leptones excitados y leptoquarks no encuentra evidencia de su existencia según los datos recolectados de las colisiones de protones. Los límites establecidos sobre sus masas proporcionan información importante y ayudan a guiar futuras búsquedas y teorías sobre la física de partículas. Los hallazgos enfatizan la necesidad de un análisis cuidadoso de los datos y modelado de fondo en la física de partículas de alta energía.

#Direcciones futuras

A medida que la ciencia evoluciona continuamente, los futuros experimentos se basarán en estos hallazgos. Los investigadores pueden emplear nuevas técnicas o tecnologías para explorar áreas que aún no se han investigado, ayudando a avanzar nuestro entendimiento de los componentes fundamentales de la materia.

#Agradecimientos

Este experimento fue posible gracias a muchos colaboradores, incluido el personal técnico que gestionó el detector ATLAS, los investigadores que analizaron los datos y varias instituciones que apoyaron esta investigación.

#Resumen

La búsqueda de leptones excitados y leptoquarks dentro del detector ATLAS utilizando datos de colisiones de protones no reveló evidencia de estas partículas, estableciendo límites significativos sobre sus posibles masas. Los resultados subrayan la importancia de entender los procesos de fondo en tales experimentos de alta energía y preparan el camino para futuras investigaciones en física de partículas.