Interações do Bóson de Higgs e do Quark Top em Investigação

Na física de partículas de alta energia, os cientistas estudam as partículas fundamentais que formam nosso universo. Um dos principais protagonistas nesse campo é o bóson de Higgs, descoberto no Grande Colisor de Hádrons (LHC) em 2012. Essa partícula é importante porque dá massa a outras partículas. Neste estudo, olhamos para um tipo especial de interação conhecida como correntes neutras de mudança de sabor (FCNC) envolvendo o quark top e o bóson de Higgs, especialmente em eventos que resultam em múltiplos léptons, que são partículas como elétrons e múons.

#O que são Quarks Top e Bósons de Higgs?

Os quarks top são um dos seis tipos (ou "sabores") de quarks, e eles são os mais pesados. Eles desempenham um papel crucial em muitas interações na física de partículas. O bóson de Higgs, por outro lado, é frequentemente chamado de "partícula de Deus". É um componente fundamental do Modelo Padrão, que é a teoria que descreve como as partículas fundamentais interagem.

#Interações de FCNC

Interações de correntes neutras de mudança de sabor envolvem partículas mudando seu tipo sem mudar sua carga elétrica. No contexto dessa pesquisa, estamos procurando eventos onde o quark top pode interagir com o bóson de Higgs e outro quark do tipo up, resultando em padrões de decaimento interessantes.

Esses tipos de interações são raros no Modelo Padrão e são normalmente suprimidos por um mecanismo conhecido como o mecanismo Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM). Como são tão raros, encontrar evidências de tais eventos pode indicar nova física além do que atualmente entendemos.

#O Detector ATLAs

O detector ATLAS é um dos principais instrumentos usados no LHC para observar colisões entre prótons a uma energia de 13 TeV. Ele é projetado para detectar uma ampla gama de partículas e medir suas propriedades. O detector inclui componentes que rastreiam partículas carregadas, medem a energia de partículas eletromagnéticas e hadrônicas, e identificam diferentes tipos de partículas.

#Análise de Dados de Colisão

Os dados analisados nesta pesquisa vêm de colisões próton-próton registradas entre 2015 e 2018. A quantidade total de dados corresponde a uma luminosidade integrada de 140,1 fb^-1, que mede quanto dado de colisão foi coletado ao longo do tempo. Ao examinar eventos particulares com estados finais de múltiplos léptons, os pesquisadores podem procurar processos de FCNC.

#Estados Finais de Interesse

Nesta busca, focamos em estados finais que contêm ou dois léptons de mesma carga (como dois elétrons ou dois múons) ou três léptons no total. Essas condições ajudam a restringir os eventos de interesse e tornam a análise mais gerenciável.

#Seleção de Eventos

Selecionar os eventos certos é crucial para garantir que a análise esteja focada nos processos que queremos estudar. Os eventos devem ter pelo menos um lépton de mesma carga ou três léptons, além de um jet -tagged. Um jet -tagged indica que se origina de um quark bottom, que é um componente chave nos processos de decaimento sob investigação.

#Processos de Fundo

Em qualquer experimento, há muitos processos de fundo que podem imitar os sinais que estamos procurando. Esses incluem vários processos do Modelo Padrão que produzem estados finais semelhantes. É essencial estimar e considerar corretamente esses fundos para extrair resultados significativos.

#Reconstrução de Dados

Para analisar os dados, várias técnicas computacionais são usadas para reconstruir os eventos. Isso envolve identificar as partículas produzidas na colisão e medir suas propriedades, como energia e momento. As relações entre essas partículas são cruciais para distinguir entre eventos de sinal e de fundo.

#Redes Neurais para Classificação de Eventos

Para melhorar a separação entre eventos de sinal e de fundo, redes neurais são empregadas. Esses são algoritmos de aprendizado de máquina que podem aprender padrões complexos nos dados e são treinados para classificar eventos com base em suas características. Isso ajuda a localizar os raros processos de FCNC em meio a um mar de outras interações.

#Resultados da Análise

Depois de realizar a análise e empregar várias técnicas para suprimir o ruído de fundo, nenhum excesso significativo além das expectativas do Modelo Padrão foi observado. Isso leva a estabelecer limites superiores nas razões de ramificação dos processos de FCNC em estudo.

#Implicações dos Resultados

Os resultados sugerem que as interações que estudamos são ainda mais raras do que o esperado. Isso tem implicações para teorias além do Modelo Padrão, pois indica que qualquer nova física relacionada a interações de FCNC com o bóson de Higgs pode estar bem escondida ou suprimida dentro da nossa compreensão atual.

#Conclusão

Em resumo, esta pesquisa representa uma exploração detalhada das correntes neutras de mudança de sabor envolvendo o quark top e o bóson de Higgs usando dados coletados do detector ATLAS. Embora a busca não tenha revelado novas evidências para essas interações, estabeleceu limites rigorosos sobre sua ocorrência. Análises contínuas e futuras coletas de dados continuarão a aprimorar nossa compreensão das partículas e forças fundamentais em jogo no universo.