Primera observación de un raro proceso en física de partículas

Exhibiciones de eventos de la producción de cuatro cuarks cima de ATLAS (izquierda) y CMS (derecha). - CERN

   MADRID, 27 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Físicos de partículas que usaron datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han sido testigos de un proceso muy raro: la producción simultánea de cuatro cuark cima.

   El cuark cima (quark top en inglés) es la partícula más pesada del modelo estándar, lo que significa que es la partícula con los lazos más fuertes con el bosón de Higgs, la partícula que confiere masa a la materia. Esto hace que los cuarks cima sean ideales para buscar signos de física más allá del modelo estándar.

   Los resultados de dos experimentos, presentados en la Conferencia Moriond, superan la significación estadística de cinco sigma requerida para contar como una observación: la observación de la colaboración ATLAS con 6,1 sigma, más alta que la significación esperada de 4,3 sigma, y la observación de CMS con 5,5 sigma, más alta que la esperada 4,9 sigma, lo que los convierte en los primeras observaciones de este proceso.

   Hay una variedad de formas de producir un cuark cima. Más comúnmente, se observan en pares de cuarks y anticuarks, y ocasionalmente solos. De acuerdo con la teoría del modelo estándar, se pueden producir cuatro cuarks cima, que consisten en dos pares cuark cima-anticuark, simultáneamente.

   Sin embargo, se prevé que la tasa de producción sea 70.000 veces menor que la de los pares cuark cima-anticuark, lo que hace que la producción de cuatro cuarks cima sea difícil de alcanzar. ATLAS encontró previamente evidencia de este fenómeno en 2020 y 2021, y CMS en 2022. Sin embargo, hasta hoy, nunca había habido una observación.

   Además de ser rara, la producción de cuarks de cuatro puntas es notoriamente difícil de detectar. Cuando los físicos buscan un evento en particular, buscan su "firma": las propiedades de las partículas finales de una descomposición. Estos proporcionan pistas sobre los eventos de corta duración que están buscando. Cada cuark cima se descompone en un bosón W y un cuark fondo.

   El bosón W puede entonces decaer en un leptón cargado y un neutrino o en un par cuark-anticuark. Esto significa que la firma de los eventos de cuatro quarks superiores puede ser muy variada, conteniendo de cero a cuatro leptones cargados y hasta 12 chorros producidos por los cuarks. Esto hace que sea un desafío buscar la firma de la producción de cuatro cuarks superiores.

   Para ayudar a buscar estos eventos, tanto ATLAS como CMS utilizaron técnicas novedosas de aprendizaje automático para construir los algoritmos que seleccionan eventos candidatos de cuatro cuarks cima. Los análisis utilizan la firma espectacular de cuatro quarks superiores con múltiples electrones, muones y chorros (etiquetados con cuarks fondo) para separar los eventos con cuatro cuarks cima del fondo debido a otros procesos del modelo estándar con mayores tasas de producción. Tanto ATLAS como CMS buscaron firmas de eventos que contuvieran dos o más leptones.

   Según un comunicado del CERN, la primera observación directa de la producción de cuatro cuarks superiores es un nuevo y emocionante paso para aprender más sobre esta fascinante partícula. Ambos experimentos esperan continuar estudiando este fenómeno durante la tercera fonda de funcionamiento del LHC.