Figura 1:Distribuições pós-ajuste da massa combinada dos candidatos ao bóson W e ao bóson de Higgs em uma região de sinal de interesse para W '. (Aqui a 2 b-tag, região mesclada.) A região de cor sólida indica o plano de fundo do modelo padrão, os pontos pretos com barras de erro indicam os dados experimentais, e a linha tracejada indica eventos hipotéticos para um bóson de 2 TeV W '. O gráfico inferior mostra a proporção dos dados em relação ao fundo total do Modelo Padrão. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Desde a descoberta do bóson de Higgs em 2012, a ATLAS Collaboration no CERN tem trabalhado para entender suas propriedades. Uma questão em particular se destaca:por que o bóson de Higgs tem a massa que tem? Experimentos mediram sua massa em cerca de 125 GeV - mas o modelo padrão implica que tem uma massa muito maior e requer uma correção muito grande na matemática para alinhar a teoria com a observação, levando ao "problema da naturalidade".
Essa discrepância poderia ser resolvida se existisse um novo tipo de interação, além das quatro forças fundamentais conhecidas (gravidade, eletromagnetismo, forte e fraco). Essa interação resultaria em novas partículas portadoras de força (bósons) com massas muito maiores do que qualquer coisa atualmente no Modelo Padrão. Entre as várias teorias que descrevem esta interação estão os modelos de "tripleto de vetor pesado" (HVT), o que sugere que uma nova partícula - o bóson "W prime" (W ') - poderia ser produzida com as energias de colisão acessíveis no LHC. Como o nome implica, essas novas partículas pesadas interagiriam com a força eletrofraca e, depois de ser produzido em uma colisão, decairia muito rapidamente em um bóson W e um bóson de Higgs.
Uma nova pesquisa da Colaboração ATLAS, lançado esta semana na conferência Large Hadron Collider Physics (LHCP 2021), define limites para a massa do bóson W ', usando o conjunto de dados LHC Run 2 completo coletado entre 2015 e 2018. A pesquisa visa o estado final "semileptônico", onde o bóson de Higgs decai em um par de quarks b, e o bóson W decai em um neutrino e um elétron, muon ou tau lepton.
Figura 2:Limites de exclusão combinados de 95% observados (esperados) na seção transversal de produção do bóson W 'são mostrados pela linha preta (azul). As linhas tracejadas roxas e azuis indicam a seção transversal teórica vs massa para uma versão da teoria HVT com um valor específico de acoplamento ao bóson W do modelo padrão. Todas as massas W 'abaixo e à esquerda de cada linha tracejada são excluídas para esse valor do acoplamento. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
A ampla gama de massas possíveis para o bóson W '- de 400 GeV a 5 TeV - apresentou aos físicos do ATLAS alguns desafios únicos. Se a massa W 'estiver na extremidade mais pesada das previsões, produziria bósons de Higgs com energias mais altas e os quarks b resultantes emitiriam dois "jatos" (sprays colimados de partículas) que estão tão próximos que aparecem como um único jato com um grande raio no detector ATLAS. Massas W menores, por outro lado, apareceria como dois jatos distintos. Para explicar essa grande variação de recursos, a nova análise ATLAS estudou vários canais distintos, cada um otimizado especificamente para fornecer a melhor sensibilidade à nova partícula.
Conforme visto na Figura 2, muitos processos de modelo padrão muito mais comuns podem resultar na mesma assinatura que o decaimento W ', portanto, é extremamente importante eliminar o máximo possível desse fundo do Modelo Padrão. Os físicos do ATLAS empregaram um algoritmo multivariada que usava certas características cinemáticas dos decaimentos do quark b para tentar distinguir seus jatos de decaimento de outros, sabores mais leves de hádrons, criando regiões "uma b-tag" e "duas b-tag". Adicionalmente, melhorando a pesquisa anterior por bósons W com um conjunto de dados parcial Run 2, os pesquisadores utilizaram novas técnicas para identificar e medir os jatos no detector. Os jatos "TrackCaloCluster" combinaram informações do sistema de rastreamento interno do ATLAS e do calorímetro eletromagnético, enquanto os jatos de "raio variável" poderiam identificar com mais eficiência os bósons de Higgs, permitindo que o raio de seus jatos de decaimento mudasse com diferentes quantidades de momento.
Os físicos não encontraram nenhuma evidência estatisticamente significativa de um desvio do Modelo Padrão em sua pesquisa. Os resultados foram usados para definir novos limites, mostrado aqui, na massa de um hipotético bóson W ', excluindo massas de até 3,15 TeV, o que é um aumento de quase 12% em relação à pesquisa ATLAS anterior para um bóson HVT W 'com um conjunto de dados Run 2 parcial. A busca por novas físicas continua!
