Detectores observan la producción simultánea de cuatro "Quarks top"

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Un extraño fenómeno que podría ser la clave de la física más allá del Modelo Estándar. Detector CMS. Crédito: CERN
Un extraño fenómeno que podría ser la clave de la física más allá del Modelo Estándar. Detector CMS. Crédito: CERN

El Modelo Estándar predice que dos pares quark top-antiquark pueden combinarse para formar cuatro quarks top a la vez. La producción de cuatro quarks top es complicada porque se cree que la tasa de producción es 70.000 veces menor que la de las parejas top-quark-antiquark. ATLAS ya había detectado este fenómeno en 2020 y 2021, y CMS en 2022. Sin embargo, nunca antes se había observado.

Utilizando datos de colisiones durante el Run 2 del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), las colaboraciones ATLAS y CMS han observado la producción simultánea de cuatro Quarks top(Quarks Cima).

La fabricación de cuatro quarks top no sólo es infrecuente, sino también notoriamente difícil de observar. Para encontrar un suceso concreto, los físicos buscan su "firma", es decir, las características de las partículas finales de la desintegración. Éstas les dan pistas sobre los sucesos transitorios que necesitan encontrar. Cada quark top se descompone en un quark bottom y un bosón W.

El bosón W puede descomponerse en un par quark-antiquark, un leptón cargado y un neutrino. Como resultado, la firma de los sucesos de cuatro quarks top puede contener entre 0 y 4 leptones cargados y hasta 12 jets producidos por quarks. Esto hace que sea un reto encontrar la firma del cuatro-top-quark.

ATLAS y CMS utilizaron enfoques de aprendizaje automático de última generación para crear algoritmos que eligen sucesos candidatos de cuatro quarks top para ayudar en la búsqueda de estos sucesos. Los análisis distinguen los sucesos de cuatro quarks top del fondo causado por otros procesos del Modelo Estándar con mayores tasas de producción utilizando la firma única de cuatro quarks top con muchos electrones, muones y jets (marcados con quarks bottom). Las firmas de sucesos que contienen dos o más leptones fueron buscadas por ATLAS y CMS.

Visualizaciones de sucesos de producción de cuatro quarks superiores de ATLAS (izquierda) y CMS (derecha). Crédito: CERN
Visualizaciones de sucesos de producción de cuatro quarks superiores de ATLAS (izquierda) y CMS (derecha). Crédito: CERN

La observación de ATLAS tiene 6,1 sigmas, superior a la significación prevista de 4,3 sigmas, y la observación de CMS tiene 5,5 sigmas, superior a la prevista de 4,9 sigmas, lo que las convierte en las primeras observaciones de este proceso. Los resultados de ambos experimentos superan la significación estadística necesaria de cinco sigmas para contar como observación.

La primera observación directa de la producción de cuatro quarks top es un nuevo y emocionante paso para aprender más sobre esta fascinante partícula. Ambos experimentos esperan continuar estudiando este fenómeno durante el LHC Run 3.

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