Novas descobertas sobre a produção do quark topo no LHC

No mundo da física de partículas, o quark top é um cara bem pesado. Na verdade, é a partícula fundamental mais pesada que a gente conhece. Os cientistas estão super interessados nele porque suas características únicas, como o peso e a existência super curta, fazem dele um ótimo tópico para examinar o Modelo Padrão da física. No experimento CMS no Grande Colisor de Hádrons (LHC), novas medições foram feitas sobre a produção de pares de quarks top e quarks top individuais.

#O Que Estamos Medindo?

Duas tipos de medições chamam nossa atenção:

1. Produção de pares de quarks top.
2. Produção de quarks top individuais associados a um bóson W.

Os experimentos focaram em colisões de prótons, onde dois prótons se chocam, quase como um passeio de carro-bump cósmico. Os níveis de energia e as condições desses testes são super importantes!

#A Configuração

Para a primeira medição, dados de 2017 foram analisados a uma energia de centro de massa de 5,02 TeV, como se estivesse aumentando o nível de energia pra ver o que acontece. Um total de 302 picobarns (uma unidade de área bem pequena) de dados foi analisado, resultando em uma seção de choque medida que combinava com o que os físicos esperavam baseado no Modelo Padrão.

Para a segunda medição, dados de 2022 foram utilizados, a uma energia de CM de 13,6 TeV com uma Luminosidade integrada de 34,7 femtobarns. Você pode pensar na luminosidade como a quantidade de “coisas” acontecendo ao longo do tempo. Os resultados foram consistentes com as previsões esperadas para a produção de quarks top individuais.

#Por Que se Importar com Quarks Top?

Quarks top não são só pesos pesados; eles ajudam os cientistas a testar o Modelo Padrão. Esse modelo é como o manual definitivo da física de partículas. Medindo a produção de quarks top, os pesquisadores podem ver quão bem o modelo se sustenta e se há alguma surpresa escondida, indicando nova física.

Os pares de quarks top são particularmente importantes porque podem dar uma espiada em reinos além do que entendemos atualmente. A produção de quarks top individuais também é reveladora, pois pode fornecer insights sobre certos parâmetros da matriz Cabbibo-Kobayashi-Maskawa, que é chave para entender como diferentes partículas interagem.

#Desmembrando: Produção de Pares de Quarks Top

Vamos explorar um pouco mais a primeira análise. O experimento de 5,02 TeV tinha uma estrutura bem planejada. Os pesquisadores se certificarão de que o ambiente tinha baixo ruído de fundo, quase como tentar ouvir um sussurro em uma biblioteca silenciosa. Os participantes (os quarks top, nesse caso) eram muito mais fáceis de identificar sem a interferência de outras colisões.

Um monte de outros possíveis jogadores foi considerado como ruído de fundo, incluindo eventos onde quarks top individuais poderiam ocorrer, tanto sozinhos quanto junto com bósons W, e outros tipos de interações. Várias técnicas baseadas em dados foram usadas para ajudar a estimar essas contribuições de fundo.

#Juntando as Peças

Para melhorar a clareza do sinal, os pesquisadores estabeleceram critérios rigorosos: Eles exigiram exatamente um lépton identificado (pense nisso como um post-it indicando qual partícula você está focando) e pelo menos três jatos, que são os subprodutos das colisões. Assim, eles podiam categorizar eventos com base no número de jatos e quantos desses jatos eram b-tagged, ou seja, identificaram características específicas que indicavam a presença de quarks b.

Diferentes categorias foram definidas com base nessas seleções, e então deram a cada categoria um apelido como “3j1b” ou “4j2b.” Bem chamativo, né? Através de um ajuste de máxima verossimilhança, eles puderam extrair a seção de choque inclusiva—basicamente a probabilidade estatística de produzir pares de quarks top desse tipo de colisão.

#Os Resultados

Depois de analisar os números e examinar os dados, a seção de choque inclusiva medida veio com um número que satisfaz todas as expectativas dos físicos! Esse resultado é a medição mais precisa feita pelo experimento CMS nesse nível de energia. Combina muito bem com medições anteriores. As principais incertezas? Elas estavam principalmente relacionadas aos dados de luminosidade e quão precisamente conseguiam identificar quarks b.

#Mudando para Produção de Quark Top Individual

Agora, vamos para a segunda análise, envolvendo a produção de um quark top individual associado a um bóson W a 13,6 TeV. A configuração aqui foi um pouco diferente, já que os pesquisadores usaram tanto gatilhos de dilepton quanto de lépton único, o que é como decidir entre fazer uma grande festa ou um jantar íntimo; ambos precisam de um planejamento cuidadoso!

Processos de fundo semelhantes foram considerados aqui também, e diferentes tipos de eventos foram analisados. Neste teste, eles estavam procurando sinais específicos que indicassem a presença de léptons de carga e sabor opostos junto com os jatos.

#Mais Categorias para Mais Clareza

Assim como antes, eventos foram classificados em categorias com base no número de jatos e jatos b-tagged. Os pesquisadores estavam particularmente interessados em três categorias—1j1b, 2j1b e 2j2b. Esse foi o plano para medir seções de choque inclusivas e diferenciais.

Para extrair dados significativos, eles treinaram classificadores para ajudar a distinguir entre o sinal do quark top e eventos de fundo. É como ensinar um cachorro a fazer truques novos, só que o cachorro é um algoritmo complexo, e os truques envolvem reconhecer diferenças sutis no comportamento das partículas.

#Medidas Finais e Conclusões

Uma vez que processaram as informações, a seção de choque inclusiva para este experimento saiu bem, alinhando-se com as previsões do Modelo Padrão. Várias incertezas surgiram durante a análise, principalmente em torno das medições de energia dos jatos e eficiências na identificação de quarks b.

Eles levaram as coisas um passo além, examinando seções de choque diferenciais para diferentes variáveis, usando métodos de simulação para confirmar que realidade e teoria estão na mesma sintonia.

Em conclusão, a Colaboração CMS forneceu duas medições emocionantes e precisas sobre a produção de quarks top através de suas análises recentes. Ambos os resultados foram consistentes com as expectativas do Modelo Padrão e representam passos importantes para entender o universo em um nível fundamental. Os cientistas continuam a trabalhar, tentando decifrar os mistérios codificados nessas partículas minúsculas, e quem sabe que outras surpresas aguardam nas profundezas da física de partículas?