Busca por Léptons do Tipo Vetorial no LHC

No Grande Colisor de Hádrons (LHC), os pesquisadores estão de olho em novas partículas que não se encaixam bem na nossa compreensão atual da física. Um dos focos é a busca por léptons de tipo vetor, que podem ajudar a explicar alguns mistérios do universo, como a matéria escura ou por que existe mais matéria do que antipartícula.

#O Estudo

Esse estudo foca em léptons de tipo vetor em eventos com múltiplos léptons leves, especificamente Elétrons e Múons. A análise foi feita usando um conjunto de colisões de prótons coletadas pelo detector ATLAS no LHC, cobrindo um certo volume de dados de 2015 a 2018. O objetivo era ver se rolou algum evento incomum que pudesse indicar a presença dessas novas partículas.

#Métodos

Para encontrar léptons de tipo vetor, os cientistas procuraram eventos que tinham dois ou mais léptons leves, que são elétrons ou múons, junto com algumas partículas adicionais que podem decair de certas maneiras. Usaram uma técnica de aprendizado de máquina para aumentar as chances de separar o sinal do ruído de fundo criado por outros processos conhecidos.

#Coleta de Dados

Os dados incluíram colisões a uma energia alta de 13 TeV, coletados ao longo de vários anos. Os pesquisadores usaram um total de 139 femtobarns inversos de luminosidade integrada, que é uma maneira de medir quanto dado foi coletado. Para identificar eventos candidatos, um conjunto de gatilhos rigorosos era necessário, garantindo que os eventos mais promissores fossem mantidos para análise.

#Eventos de Fundo

Na física de partículas, há muitos eventos de fundo que podem esconder os sinais de novas partículas. Esses eventos podem ocorrer de partículas conhecidas se comportando de maneiras esperadas. Esse estudo precisava contabilizar isso e utilizou simulações para prever quantos eventos de fundo esperar.

#Identificação de Partículas

Ao analisar os dados coletados, os cientistas tiveram que identificar diferentes tipos de partículas das colisões. Eles focaram em elétrons e múons, reconstruindo seus caminhos a partir de interações com vários componentes do detector.

#Elétrons

Os elétrons foram identificados ao combinar aglomerados de energia no calorímetro eletromagnético com trilhas reconstruídas. Eles precisavam passar por certos critérios de seleção para garantir que eram reais.

#Múons

Os múons, que podem penetrar a matéria melhor que os elétrons, foram reconstruídos usando tanto o detector de rastreamento interno quanto o espectrômetro de múons, garantindo que atendessem a critérios de qualidade específicos.

#Energia Perdida

Um aspecto importante da análise foi a medição da energia faltante. Muitas vezes, partículas como neutrinos escapam da detecção, levando a uma energia faltante no evento. Essa energia faltante foi calculada usando o momento das partículas detectadas.

#Seleção de Eventos e Regiões de Sinal

Os eventos foram organizados em diferentes regiões com base nas partículas finais observadas. Os pesquisadores queriam maximizar suas chances de detectar quaisquer léptons de tipo vetor, projetando regiões que aumentariam o sinal.

#Regiões de Treinamento

Para otimizar a busca, os pesquisadores dividiram os dados em várias regiões de treinamento com base na contagem de léptons e outros fatores. Isso permitiu que aplicassem critérios de seleção específicos para cada cenário.

#Regiões de Controle

Regiões de controle foram criadas para ajudar a normalizar os eventos de fundo esperados aos dados reais. Assim, os pesquisadores podiam garantir que seus modelos eram precisos.

#Análise Estatística

Um método estatístico foi usado para avaliar se os eventos observados correspondiam ao que era esperado com base na física conhecida. Ajustando os dados e suas modelagens, os pesquisadores conseguiram estabelecer limites de confiança sobre a presença de léptons de tipo vetor.

#Resultados

Após analisar os dados, os pesquisadores não encontraram um excesso significativo de eventos que indicassem a presença de léptons de tipo vetor. No entanto, conseguiram estabelecer limites sobre as possíveis massas dessas partículas.

#Limites de Exclusão

Usando seus modelos, os pesquisadores excluíram léptons de tipo vetor com massas entre 130 GeV e 900 GeV a um nível de confiança de 95%. Eles preveem que o limite superior pode chegar a 970 GeV com base nas simulações atuais.

#Conclusão

A busca por novas partículas como léptons de tipo vetor continua sendo um foco importante no LHC. Embora nenhuma nova partícula tenha sido observada nessa análise, o trabalho contribui para nossa compreensão do universo e ajuda a refinar modelos para buscas futuras. Ao estabelecer exclusões sobre as massas desses léptons, a pesquisa fornece informações valiosas que auxiliarão na busca contínua por conhecimento na física de partículas. A colaboração do ATLAS está animada para as futuras coletas de dados e investigações contínuas nesse campo fascinante.