[論文レビュー] A search for high-mass resonances in final states with hadronically decaying tau leptons and high missing transverse momentum using $pp$-collision data at $\sqrt{s} = 13~ ext{TeV}$ collected by the ATLAS Detector

G. Aad, B. Abbott+2875 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、ATLAS検出器が収集した13 TeVの√sで139 fb⁻¹のpp衝突データを用いて、高質量のW'ボソンがタウレプトンとニュートリノに崩壊する過程を探索した。タウレプトンはそのハドロン的崩壊モードに再構築され、ニュートリノの運動量から欠落運動量を推定することで、W' → τνの生成断面積に対する上限が設定され、逐次標準模型において95%信頼水準で5.0 TeVまでのW'ボソンが除外された。

ABSTRACT

A search for new heavy charged gauge bosons $W^{\prime}$, predicted by some extensions of the Standard Model is presented in this thesis. This analysis is based on data collected from proton-proton collisions with a center-of-mass-energy of $\sqrt{s}=13~ ext{TeV}$ by the ATLAS detector. The integrated luminosity corresponds to $139~ ext{fb}^{-1}$. The search is performed in the decay channel with one tau lepton that decays hadronically and a neutrino, $W^\prime ightarrow au u$. The scenarios considered are the Sequential Standard Model, where the $W^\prime$-bosons have the same couplings as the Standard Model $W$-bosons, as well as Non-Universal Gauge Interaction Models, which allow for preferential couplings to the heavy generation of fermions.No significant excess is observed in data and upper limits at 95% confidence level on the production cross sections of the $W^\prime$ bosons under the different signal hypotheses. Model-independent upper limits are also derived to allow re-interpretation of the results in more generic models.

研究の動機と目的

• 高エネルギー陽子-陽子衝突を用いて、W'ボソンのW' → τν崩壊チャンネルにおける新しい重いゲージボソンの探索を目的とする。
• 2017–2018年のデータを含むRun 2 ATLAS全データセット139 fb⁻¹を活用することで感度を向上させることを目的とする。
• ハドロン的崩壊モードにおけるタウレプトンの再構築と識別技術の向上により、信号感度を強化することを目的とする。
• 特に非ユニバーサル結合の状況を含め、モデルに依存しないおよびモデルに依存するW'ボソン質量および結合定数の除外限界を設定することを目的とする。

提案手法

• イベント選抜は欠落運動量に基づくトリガーを用い、タウレプトンは全崩壊の65%を占めるハドロン的崩壊モードに限定して再構築される。
• 横断的質量m_Tは、タウレプトンの4元運動量と推定された欠落運動量ベクトルから計算され、主な運動量的識別子として用いられる。
• QCDマルチジェットおよびW+ジェット過程からのバックグラウンドは、データ駆動型手法（制御領域や行列式法を含む）を用いて推定される。
• ジェットエネルギースケール、タウレプトンエネルギースケール、欠落運動量分解能、トリガー効率に関するシステムティック不確実性が評価された。
• 複数のビンにわたる探索戦略が採用され、横断的質量スペクトルを複数のビンに分割することで、共鳴的信号に対する感度を向上させた。
• モデルに依存しない制約を得るために、可視断面積にブランチング比をかけた上限が、横断的質量のしきい値の関数として導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS実験は、139 fb⁻¹のRun 2全データセットを用いて、W'ボソンがτνに崩壊する過程に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ2 向上したタウレプトン再構築および識別技術は、W'ボソンの発見可能性にどのように影響するか？
• RQ3 フェルミオンへのユニバーサルおよび非ユニバーサル結合の両方において、W'ボソン質量の除外限界は何か？
• RQ4 今回の結果は、以前の探索と比較して、電弱精度測定からの間接的制約とどのように一致するか？
• RQ5 横断的質量しきい値の関数として、可視断面積にブランチング比をかけたモデルに依存しない限界は何か？

主な発見

• 横断的質量分布において、標準模型の期待値を上回る有意な過剰事象は観測されなかった。
• 逐次標準模型において、W'ボソンが標準模型のWボソンと同一の結合定数を持つと仮定した場合、95%信頼水準で5.0 TeVまでの質量が除外された。
• 非ユニバーサル結合モデルでは、結合パラメータcotθNUの値に応じて、3.5 TeVから5.0 TeVの間のW'ボソンが除外された。
• モデルに依存しない可視断面積にブランチング比をかけた上限が、横断的質量しきい値の関数として設定され、将来の理論的モデルに対する強固な制約が得られた。
• 2017–2018年のデータの統合、タウレプトン再構築の向上、複数ビン探索戦略の導入により、以前のATLAS解析と比較して感度が向上した。
• 結果は、5.0 TeVまでに新しい物理が存在しないことと整合的であり、LHCの他の探索や精度測定からの制約を強化している。