Busca por Novas Partículas no LHC

Em estudos recentes no Grande Colisor de Hádrons (LHC), cientistas estão investigando novas partículas chamadas bósons vetoriais que podem decair em partículas conhecidas como Quarks Top e quarks bottom. Essa pesquisa foca em colisões que envolvem prótons, onde essas interações podem criar condições adequadas para identificar possíveis novas partículas.

#O Detector ATLAS

O detector ATLAS é um instrumento grande e complexo projetado para capturar dados das colisões de alta energia no LHC. Ele cobre quase todas as direções ao redor do ponto de colisão. O detector ATLAS inclui vários componentes, como detectores de rastreamento para seguir partículas, Calorímetros para medir energia e um sistema de múons para detectar partículas específicas.

#Detector de Rastreamento Interno

O detector de rastreamento interno é responsável por rastrear partículas carregadas. Ele é composto por diferentes camadas de sensores para fornecer medições precisas das trajetórias das partículas.

#Sistema de Calorímetros

O calorímetro mede a energia das partículas absorvendo-as. Ele consiste em componentes eletromagnéticos e hadrônicos, permitindo que lide com uma ampla gama de tipos de partículas.

#Espectrômetro de Múons

O espectrômetro de múons é projetado para detectar múons, que são parentes mais pesados dos elétrons. Ele usa um campo magnético para medir as trajetórias dessas partículas com precisão.

#Conjunto de Dados e Análise

A análise usa dados de colisões próton-próton coletados entre 2015 e 2018, totalizando uma luminosidade integrada de 139 fb. Os cientistas se concentraram em identificar a massa invariável das partículas produzidas para procurar sinais de novos bósons decaindo em quarks top e bottom.

#A Busca pelos Bósons Vetoriais

#Informações de Fundo

Certas teorias na física preveem a existência de novos bósons que poderiam interagir com partículas conhecidas, como o quark top e o quark bottom. Esses bósons podem ser diferentes dos que já são conhecidos no Modelo Padrão da física de partículas. O objetivo é determinar se esses novos bósons existem examinando seus padrões de decaimento.

#Mecanismo de Produção

Quando prótons colidem, eles podem criar muita energia. Essa energia pode produzir partículas pesadas como bósons vetoriais. Se esses bósons existirem, eles podem decair em pares de quarks top e bottom. Ao estudar os produtos do decaimento, os pesquisadores podem inferir informações sobre as propriedades desses bósons.

#Cenários de Decaimento

Os cientistas consideraram dois cenários principais de decaimento para os bósons. Um cenário envolve quiralidade direita, significando que o bóson interage com partículas canhota. O outro envolve quiralidade esquerda, que interage com partículas canhotas. Ambos os cenários têm características distintas que podem ser estudadas através de seus padrões de decaimento.

#Diagramas de Feynman

Os diagramas de Feynman são uma ferramenta útil na física de partículas para visualizar as interações entre partículas. Eles mostram como as partículas são produzidas, como interagem e como decaem. Neste estudo, os diagramas foram usados para ilustrar como um quark top poderia decair em um bóson e como esse bóson decai em outros quarks ou léptons.

#Critérios de Seleção de Eventos

#Eventos de Gatilho

Para analisar os dados de forma eficaz, os eventos são filtrados com base em certos critérios. Os eventos devem conter jatos de alta energia e grande raio, o que indica a presença de decaimentos de quark top. Requisitos adicionais são impostos para garantir que esses jatos satisfaçam critérios específicos de energia e momento.

#Estimativa de Fundo

Processos de fundo de eventos físicos conhecidos, como produção de multi-jatos e pares de quarks top, podem complicar a análise. Os cientistas usam métodos baseados em dados para estimar esses fundos, permitindo que eles separem eventos de sinal potenciais dessas interações irrelevantes.

#Reconstrução de Objetos

Para identificar as partículas produzidas em uma colisão, os cientistas reconstruem o evento analisando a energia e as informações de rastreamento do detector. Algoritmos especiais são usados para identificar jatos, elétrons e múons.

#Reconstrução de Jatos

Jatos representam grupos de partículas que emergem de uma colisão. Esses são reconstruídos usando algoritmos que combinam depósitos de energia do calorímetro e informações de rastreamento do detector interno. Existem dois tipos de jatos usados nesta análise: jatos de grande raio para quarks top e jatos de pequeno raio para quarks bottom.

#Definição da Região de Sinal

Os eventos são categorizados em diferentes regiões com base em características como multiplicidade de jatos e marcação. As regiões de sinal são aquelas mais propensas a conter evidências de um novo bóson, enquanto as regiões de controle são usadas para estimar os fundos.

#Regiões de Sinal

As regiões de sinal são onde as condições são otimizadas para detectar a presença de um bóson. Isso inclui ter um jato de quark top marcado e um jato de quark bottom marcado.

#Regiões de Controle

As regiões de controle são usadas para validar os métodos utilizados para estimar fundos. Medindo as contribuições de fundo nessas regiões, os pesquisadores podem garantir que suas previsões sejam precisas.

#Estratégia de Análise em Ambos os Canais

#Canal Todo-Hadônico

O canal todo-hadônico envolve eventos onde tanto os quarks top quanto bottom decaem em hádrons, resultando em múltiplos jatos no estado final. O foco aqui é identificar eventos que produzem dois jatos distintos representando os produtos de decaimento dos quarks top e bottom.

#Canal Lépton+Jatos

No canal lépton+jatos, um dos quarks top decai em um lépton enquanto o outro decai em um quark bottom. A presença de um lépton facilita a identificação do evento e ajuda a reduzir o ruído de fundo.

#Incertezas Sistemáticas

Várias incertezas podem afetar as medições. Essas podem surgir da calibração do detector, modelagem teórica e diferenças entre eventos previstos e observados. Entender essas incertezas é crucial para interpretar os resultados com precisão.

#Análise Estatística

Nesta análise, métodos estatísticos extensivos são usados para avaliar os dados coletados. Uma abordagem de máxima verossimilhança é empregada para ajustar os dados observados a modelos que incluem contribuições de sinal e fundo.

#Ajustes de Verossimilhança

Os ajustes de verossimilhança fornecem uma estrutura para combinar dados de múltiplas regiões e avaliar a presença de um sinal contra uma hipótese apenas de fundo. Esse processo ajuda a determinar se há evidências para um novo bóson.

#Resultados

#Limites Superiores na Produção

A análise produz limites superiores na seção de produção para os bósons propostos. Esses limites indicam quão provável é que os bósons sejam produzidos nas energias de colisão observadas sem serem detectados.

#Limites de Exclusão

A análise estabelece limites de exclusão para intervalos de massa específicos dos bósons. Isso informa os cientistas sobre quais massas podem ser descartadas com base na falta de sinais observados nos dados.

#Conclusão

A busca por bósons vetoriais decaindo em quarks top e bottom no LHC fornece informações valiosas na busca para entender os componentes fundamentais da matéria. Embora nenhuma desvio significativo do fundo esperado tenha sido observado, os resultados contribuem para o trabalho contínuo na física de partículas e ajudam a refinar modelos para futuras pesquisas.

#Direções Futuras

A exploração contínua das interações de partículas no LHC tem o potencial de descobrir novas físicas além do Modelo Padrão. Em futuros estudos, os pesquisadores procurarão canais de decaimento adicionais e refinarão técnicas de detecção para investigar ainda mais as propriedades desses bósons elusivos.