Quando se trata de quarks, os da terceira geração (superior e inferior) são certamente os mais fascinantes e intrigantes. Metaforicamente, nós classificaríamos sua vida social como bastante isolada, pois não se misturam muito com seus parentes de primeira e segunda geração. Contudo, como os próprios aristocratas do mundo da física de partículas, eles gostam de interações privilegiadas e intensas com o campo de Higgs; é a intensidade dessa interação que eventualmente determina coisas como a estabilidade quântica de nosso universo. Sua vida social também pode ter um lado negro, pois podem estar envolvidos em interações com a matéria escura.

Esse status especial dos quarks de terceira geração os torna atores-chave na busca por fenômenos não previstos pelo Modelo Padrão. Um novo resultado divulgado pela ATLAS Collaboration no CERN se concentra em modelos de novos fenômenos que prevêem um maior rendimento de eventos de colisão com quarks bottom e partículas invisíveis. Uma segunda nova pesquisa no ATLAS considera a possível presença de leptons tau adicionados. Juntos, esses resultados impõem fortes restrições à produção de parceiros dos quarks b e de possíveis partículas de matéria escura.

Procurando o fundo supersimétrico ...

O parceiro supersimétrico do quark bottom (o escalar bottom) é uma das novas partículas mais procuradas no Large Hadron Collider (LHC). Durante a execução 1 do LHC (2010-2013), os físicos foram capazes de estabelecer fortes restrições sobre a massa da base escalar em seus modos de decaimento mais naturais. Essas restrições só ficaram mais fortes à medida que os cientistas estudaram os dados da corrida 2 (2015-2018). Os resultados mais recentes do ATLAS Collaboration levam a pesquisa um passo adiante:os físicos não apenas examinaram o conjunto completo de colisões da corrida 2, eles empregaram novas técnicas para atingir modos de decaimento de fundo escalar menos comuns e hierarquias de massa mais difíceis.

O primeiro novo resultado do ATLAS se concentra em decaimentos de fundo escalar que não são frequentemente investigados, ou seja, sua decadência em quarks b, Bósons de Higgs e partículas candidatas de matéria escura. Complementando um estudo ATLAS anterior (ver figura), o novo resultado procura um par de léptons tau produzidos no decaimento do bóson de Higgs. Identificando - ou melhor, identificação incorreta - esses leptões tau foi um dos aspectos mais desafiadores deste estudo. Para superar isso, Os físicos do ATLAS desenvolveram uma técnica de estimativa de fundo dedicada, com base na definição de um conjunto cuidadosamente projetado de amostras de controle. Isso deu a eles uma estimativa precisa do difícil componente de fundo decorrente de identificações incorretas de léptons tau.

Em um segundo novo estudo de quarks de fundo escalar, Os pesquisadores do ATLAS voltaram seu foco para a decadência de fundos escalares produzidos por par em um quark b e uma partícula de matéria escura candidata, resultando em dois b-jatos e falta de momento transversal no estado final. Eles prestaram atenção especial aos "cenários compactados, " isso é, onde a massa do escalar inferior e a do candidato à matéria escura são semelhantes. Nesses casos, os quarks b emitidos no decaimento escalar inferior têm um momentum muito baixo, tornando-os difíceis de identificar.

Pela primeira vez no ATLAS, os físicos implementaram técnicas de aprendizado de máquina e algoritmos de reconstrução dedicados com o objetivo de reconstruir o decaimento do hadron inferior deslocado, independentemente da presença de um jato. Junto com a maior luminosidade integrada do LHC, essas técnicas ajudaram a levar a sensibilidade do experimento ATLAS a níveis sem precedentes.

… E seus amigos

Uma das coisas que torna esses estados finais tão interessantes é que eles também são comuns a outros novos fenômenos, como leptoquarks. Estas são partículas hipotéticas cuja decadência violaria a conservação do número de leptões e bárions, o que poderia explicar o desequilíbrio observado entre matéria e antimatéria em nosso universo. Uma família específica de leptoquarks pode decair pelo menos parcialmente em um quark b e um neutrino, rendendo mais uma vez um estado final com dois b-jatos e momento transversal faltando. Modelos mais genéricos de matéria escura, onde b-jatos são produzidos em associação com as partículas candidatas de matéria escura, também produziria o mesmo estado final. O novo resultado do ATLAS também define limites competitivos nesses cenários - uma contribuição significativa para a busca de matéria escura ou leptoquarks.

Para concluir

A investigação do setor de quarks de terceira geração - tanto em termos de medições de precisão quanto em termos de pesquisas de novos fenômenos associados a ele - deve ser atribuída à longa lista de triunfos do LHC. Esse conhecimento até agora indica que a terceira geração se comporta conforme previsto pelo Modelo Padrão. Somente um exame mais aprofundado e investigação revelarão novas respostas às grandes questões levantadas pela terceira geração.