Teorías efectivas para quarkonio pesado

Abstract

Este trabajo estudia la posibilidad de formación de un estado ligado top-antitop (toponio) motivado por la reciente observación de un exceso pseudoescalar cerca del umbral de producción del toponio en el experimento CMS (Compact Muon Solenoid) del LHC (Large Hadron Collider). A pesar de que el Modelo Estándar (SM) predice que el quark top decae antes de hadronizar, se demuestra que la interacción fuerte en el régimen no relativista podría permitir la formación transitoria de toponio. Utilizando teorías de campo efectivas como la teoría de Fermi, se calcula la contribución a primer orden perturbativo de la anchura de desintegración del top. Se utiliza la teoría pNRQCD para calcular la energía de ligadura del estado fundamental η(1)t y sus correcciones hasta cuarto el cuarto orden en el desarrollo perturbativo. Se comparan las energías con la anchura de desintegración del toponio, aplicando el criterio de Rayleigh para evaluar la posibilidad de hadronización. Los resultados muestran que las correcciones a la energía de ligadura pueden superar parcialmente dicha anchura, y que la inclusión de estados excitados permite reproducir la sección eficaz observada sin necesidad de nueva física. Finalmente, se exploran escenarios de física más allá del SM mediante el formalismo HEFT, imponiendo cotas a los parámetros efectivos de operadores de cuatro fermiones. Este análisis refuerza la utilidad de las teorías efectivas tanto dentro como fuera del marco estándar para describir fenómenos cercanos al umbral de producción del toponio.

This work studies the possibility of forming a bound top-antitop state (toponium), motivated by the recent observation of a pseudoscalar excess near the toponium production threshold in the CMS (Compact Muon Solenoid) experiment at the LHC (Large Hadron Collider). Although the Standard Model (SM) predicts that the top quark decays before hadronizing, it is shown that the strong interaction in the non-relativistic regime could allow for the transient formation of toponium. Using effective field theories such as Fermi theory, the first-order perturbative contribution to the top quark decay width is calculated. The pNRQCD theory is employed to compute the binding energy of the ground state η(1)t and its corrections up to fourth order in the perturbative expansion. The binding energies are compared with the decay width of toponium, applying the Rayleigh criterion to assess the possibility of hadronization. The results show that the corrections to the binding energy can partially overcome the decay width, and that the inclusion of excited states can reproduce the observed cross section without the need for new physics. Finally, scenarios of physics beyond the SM are explored using the HEFT formalism, setting bounds on the effective parameters of four-fermion operators. This analysis reinforces the utility of effective theories both within and beyond the Standard Model framework to describe phenomena near the toponium production threshold.