El quark top es la partícula elemental más pesada conocida. Las interacciones del quark top con otras partículas proporcionan pistas prometedoras para la búsqueda de física más allá del conocido Modelo Estándar. Concretamente, la comunidad científica puede explorar nuevos fenómenos físicos al realizar mediciones precisas de las propiedades del quark top mediante procesos de producción raros.
En la conferencia Rencontres de Moriond 2022, la colaboración ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN anunció la observación de uno de estos procesos raros potencialmente útiles en la búsqueda de nueva física: la producción, mediante colisiones protón-protón, de un quark top 'soltero' (esto es, no acompañado de su antipartícula, 'single top quark' o 'single-top' en la jerga de la física de partículas) en asociación con un fotón a través de la interacción electrodébil. Este resultado representa la primera observación de la producción de un quark top junto con un fotón.
Para llegar a este resultado, la comunidad investigadora perteneciente al experimento ATLAS analizó el conjunto completo de datos registrados durante el Run 2 del LHC, periodo comprendido entre 2015 y 2018, y se centró en el estudio de eventos de colisión en los que el quark top se desintegra, a través de un bosón W, en un electrón o un muón, un neutrino y un quark bottom. Observar la producción de un quark top 'soltero' junto con un fotón no ha sido una tarea sencilla, pues la búsqueda de este proceso se ve obstaculizada por un gran número de colisiones de fondo que imitan la producción quark top - fotón y dificultan su observación y determinación. Para separar los eventos de producción quark top - fotón de estos sucesos de fondo que ocasionan ruido en las medidas, los investigadores de ATLAS utilizaron herramientas de machine learning, las cuales permiten clasificar con gran precisión los eventos registrados, según sean sucesos de interés (producción quark top - fotón, en este caso) o de fondo. La significancia estadística de las medidas de ATLAS realizadas ha resultado ser de 9,1 desviaciones estándar, un valor muy por encima del umbral de 5 desviaciones estándar necesario para afirmar, en física de partículas, que se ha observado un evento concreto.
Este importante, a la par que emocionante, resultado permitirá a la comunidad investigadora buscar indicios de nuevas interacciones que podrían existir más allá de los límites actuales del LHC. En particular, los físicos podrán utilizar estos resultados para obtener información sobre nuevas partículas capaces de alterar la interacción quark top - fotón. Próximos estudios, que serán realizados con nuevas y novedosas técnicas de análisis y con un conjunto de datos mucho mayor procedente del próximo Run 3 del LHC , auguran un futuro prometedor y muy emocionante.
Participación española en la colaboración ATLAS del LHC
Desde la puesta en marcha del detector ATLAS, donde participan alrededor de 3.000 científicos de 181 instituciones procedentes de 42 países, investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València, del Institut de Fisica d'Altes Energies (IFAE), consorcio entre la Generalitat de Catalunya y la Universitat Autònoma de Barcelona, del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CNM‐IMB‐CSIC), y de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), participan activamente en la operación y mantenimiento de los detectores, con una fuerte presencia en las actividades de alineamiento y calibración. Estos cuatro centros de investigación forman parte de la Red CPAN.
