ATLAS y CMS observan a más de cinco sigmas la producción de cuatro quarks top

Por Francisco R. Villatoro, el 31 marzo, 2023. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 7

El quark top (cima) fue descubierto en 1995 por CDF y DZero en el Tevatron del Fermilab. El LHC es una fábrica de quarks top, la partícula con mayor masa del modelo estándar. En el LHC Run 1, ATLAS y CMS observaron la producción de pares top-antitop (ttbar) y de un solo top (tbbar, tW). La producción de cuatro quarks top (dos pares top-antitop) es un proceso raro que ha tenido que esperar al LHC Run 2; el modelo estándar estima una sección eficaz de 12.0 ± 2.4 fb en colisiones protón-protón a 13 TeV c.m. En la conferencia Moriond 2023 se ha anunciado que ATLAS y CMS han observado cuatro quarks top con más de cinco sigmas: ATLAS con 6.1 sigmas (se esperaban 4.3 sigmas)(∗) tras analizar 140 fb−1 de colisiones y CMS con 5.5 sigmas (se esperaban 4.9 sigmas)(∗) tras analizar 138 fb−1 de colisiones. ATLAS ha medido una sección eficaz de 24 ± 9 fb, y CMS de 18 ± 6 fb, siendo ambos valores compatibles con la predicción del modelo estándar. El estudio de precisión con el LHC Run 3 de este tipo de sucesos raros permitirá buscar señales de nueva física más allá del modelo estándar; a priori nadie puede descartar que existan.

Los canales dominantes para la producción de cuatro quarks top en el LHC son la fusión de gluones mediada por un gluón y por un Higgs. Cada quark (antiquark) top decae en un bosón W y un quark (antiquark) bottom; el bosón W decae o bien en un leptón cargado (electrón o muón) y un neutrino (que no se observa), o bien en un par quark-antiquark; por cierto, si el W decae en un tauón, este se desintegra en un electrón o muón y un neutrino, con lo que se producirían dos neutrinos no observados. Como todos los quarks (antiquarks) finales se observan como chorros hadrónicos, los sucesos candidatos a cuatro quarks top tienen entre cero y cuatro leptones cargados, y hasta doce chorros hadrónicos; en concreto, se estima que en los sucesos candidatos el 32 % contiene 0 leptones, el 42 % un leptón, el 21 % dos leptones y el 5 % restante tres o cuatro leptones. Por ello, el análisis de los sucesos del LHC en busca de la señal de cuatro quarks es muy complicado. Por fortuna en el último lustro se han desarrollo técnicas de análisis específicas que permiten la observación con éxito; de hecho, las primeras observaciones de ATLAAS y CMS, aunque con pocas sigmas de significación estadística, se publicaron en 2020 tras analizar las colisiones del LHC Run 2.

El (joven) modelo estándar se mantiene robusto. El estudio de estos procesos tan raros, con una estadística de muy pocos sucesos (ATLAS ha observado 6 y CMS ha observado 7 sucesos candidatos)(∗∗), permite observar señales de nueva física si el número de sucesos excede con mucho las expectativas; no este el caso, lo que no quita mérito a estos espectaculares (aunque esperados) resultados de ATLAS y CMS. Los artículos son CMS Collaboration, «Observation of four top quark production in proton-proton collisions at √s = 13 TeV,» CMS-PAS-TOP-22-013, 23 Mar 2023 (Gracias Marcel Vos por darte cuenta de que yo citaba por error un artículo anterior: CMS Collaboration, «Evidence for four-top quark production in proton-proton collisions at √s = 13 TeV,» Submitted to Physics Letters B, arXiv:2303.03864 [hep-ex] (07 Mar 2023), https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.03864), y ATLAS Collaboration, «Observation of four-top-quark production in the multilepton final state with the ATLAS detector,» Submitted to European Physical Journal C (EPJC), arXiv:2303.15061 [hep-ex] (27 Mar 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.15061. En español recomiendo «Observado en el LHC un raro proceso con las partículas más masivas conocidas», IFIC, 28 mar 2023 y Agencia SINC, 28 mar 2023; y en inglés Naomi Dinmore, «ATLAS and CMS observe simultaneous production of four top quarks,» CERN News, 24 Mar 2023.

Por cierto, ATLAS también un análisis de la producción ttW con datos del LHC Run 2, con énfasis en la posible asimetría de carga en la desintegración de un W en un leptón cargado o en un antileptón con carga opuesta; no comenté los resultados porque mostraban un acuerdo casi perfecto con el modelo estándar. El artículo es ATLAS Collaboration, «Search for leptonic charge asymmetry in ttW production in final states with three leptons at √s=13 TeV,» arXiv:2301.04245 [hep-ex] (10 Jan 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2301.04245. [PS 01 abr 2023] Marcel Vos también destacaría el artículo ATLAS Collaboration, «Measurement of the total and differential cross-sections of ttW production in pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector,» ATLAS-CONF-2023-019, 23 Mar 2023. Y la nota de prensa «ATLAS confirms mild tension in production of top-quark pairs with a W boson,» News, ATLAS, 24 Mar 2023. [/PS]

(∗)[PS 01 abr 2023] Marcel Vos en los comentarios destaca que la «la significancia esperada de ATLAS y CMS se han estimado en base a secciones eficaces diferentes: ATLAS usa como referencia 12 fb, mientras CMS usa un valor de 13 fb basado en un cálculo más reciente. Si se referencian ambas significancia a la misma predicción teórica, las significancias esperadas son mucho más similares (i.e. ATLAS subiría a 4.7 sigmas si adopta la predicción que usa CMS)». Gracias, Marcel. [/PS]

(∗∗)[PS 01 abr 2023] Marcel Vos pregunta «¿ese numero de suceso de donde sale?» Obtuve el número dividiendo la luminosidad integrada (140) entre la sección eficaz observada (24 y 18). Como bien comenta Marcel, «si miras la tabla 5 en el artículo de ATLAS verás que el ajuste estima unos 69 ± 15 sucesos de señal». Gracias, Marcel.

[PS 01 abr 2023] Marcel Vos no está de acuerdo con mi conclusión (que una discrepancia a menos de dos sigmas no es una discrepancia). En su opinión, que ATLAS mida una tasa 1.9 veces la predicción del modelo estándar y que CMS mida 1.5 veces, los indicios de nueva físicas son tan fuertes (o tan débiles) como en muchas otras búsquedas que han dado lugar a gran revuelo. Como es obvio es su opinión. La mía es que a menos de dos sigmas no se debe ver lo que no hay. Más aún cuando la historia nos dice que en las primeras observaciones de sucesos raros suele ser habitual que la sección eficaz observada sea mayor que la predicha, con un valor de que decrece y se acerca al predicho conforme dichas observaciones se repiten. [/PS]

Estos tres diagramas de Feynman muestran los modos de producción más probables para cuatro quarks top en el LHC a 13 TeV c.m. (en el centro  de masas). En el LHC Run 3 se pretende acumular 290 fb⁻¹ (35 fb⁻¹ en 2022 y 85 fb⁻¹ anuales entre 2023 y 2025) de colisiones a 13.5 TeV c.m., cuya análisis permitirá observar unos 25 sucesos con cuatro quarks top. Habrá que esperar al futuro HL-LHC, que producirá unos 250 fb⁻¹ al año y unos 4000 fb⁻¹ en sus doce años de vida, para que estos sucesos raros se puedan estudiar con precisión y haya esperanza de que muestren alguna señal de nueva física más allá del modelo estándar.



7 Comentarios

  1. Hola,
    Gracias por divulgar esta noticia. Un par de correcciones al articulo:
    El resultado nuevo de CMS esta disponible como nota preliminar: http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/preliminary-results/TOP-22-013/index.html. El articulo en PLB que citas es un resultado anterior que llego a «evidencia», pero no a observacion.
    La significancia esperada de ATLAS y CMS se han estimado a base de secciones eficaces diferentes: ATLAS usa como referencia los 12 fb que citas en el articulo, mientras CMS usa un valor de 13 fb basado en un calculo reciente. Si referenciamos ambas significancia a la misma prediccion teorica, las significancias esperadas son mucho mas similar (i.e. ATLAS subiria a 4.7 sigma si adopta la prediccion que usa CMS).
    No entiendo que quieres decir con «El estudio de estos procesos tan raros, con una estadística de muy pocos sucesos (ATLAS ha observado 6 y CMS ha observado 7 sucesos candidatos), permite observar señales de nueva física si el número de sucesos excede con mucho las expectativas; no este el caso, lo que quita mérito a estos espectaculares (aunque esperados) resultados de ATLAS y CMS.» ¿Ese numero de suceso de donde sale? Si miras la tabla 5 en el papel de ATLAS, https://arxiv.org/pdf/2303.15061.pdf, veras que el ajuste estima unos 69 sucesos de señal. Tampoco estoy de acuerdo con la conclusion. Ambos experimentos ven un exceso: ATLAS mide una tasa de 1.9 veces el Modelo Estandar, CMS de 1.5. La significancia estadistica en ATLAS de la «discrepancia» con el SM es 1.8 sigma. Si ademas CMS ve un exceso en el mismo proceso, los indicios de nueva fisica aqui son tan fuertes (o tan debiles) como en muchas busquedas que han dado lugar a mucho revuelo en articulos populares.
    El noticia del IFIC es: https://webific.ific.uv.es/web/content/los-experimentos-del-lhc-observan-un-raro-proceso-con-cuatro-quarks-top-las-part%C3%ADculas-m%C3%A1s. Ya que lo recomiendas, estaria bien incluir un enlace.
    Un saludo, Marcel Vos

  2. Muchas gracias Francis por traernos esta gran noticia. ¿Cuánto tiene ya el LHC? ¿12 ó 13 años? y aun produciendo grandes resultados no menos importantes por esperados.

    La nueva física ¿Dónde puede aparecer, solo en la cantidad de sucesos esperados según el SM? y si es así ¿Qué nueva física podría descubrirnos? ¿Alguna nueva partícula que haga aumentar el número de sucesos, alguna nueva simetría…?

    1. José, el LHC Run 1 se inició en 2011 y el LHC Run 3 finalizará en 2026; le sucederá el HL-LHC entre 2030 y 2040. En cuanto a la nueva física, la historia de la física nos dice que puede aparecer en cualquier sitio, en cualquier sitio, sobre todo en los lugares más inesperados. Por ello hay que buscar por doquier, con intensidad y con precisión. ¿Qué se puede descubrir? Nuevos campos cuánticos, o si lo prefieres, nuevas partículas; hay infinidad (literalmente) de propuestas. Por poner un ejemplo, la física de los neutrinos es un buen lugar donde se puede esconder nueva física.

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