[論文レビュー] A search for top-squark pair production, in final states containing a top quark, a charm quark and missing transverse momentum, using the 139 fb$^{-1}$ of $pp$ collision data collected by the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2988 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、LHCのATLAS検出器が収集した13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹を用いて、トップクォーク、 charm クォーク、および欠落運動量を伴う最終状態におけるトップスクォーク対生成を探索した。有意な過剰は観測されず、軽いニュートラリノを想定したモデルでは、95%信頼水準でトップスクォーク質量が800 GeVまで除外された。また、ほぼ縮退した状況では、600 GeVまでが除外された。この研究では、スクォーク系における非最小的フレーバー破れを含むモデルを想定している。

ABSTRACT

This paper presents a search for top-squark pair production in final states with a top quark, a charm quark and missing transverse momentum. The data were collected with the ATLAS detector during LHC Run 2 and corresponds to an integrated luminosity of 139fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV. The analysis is motivated by an extended Minimal Supersymmetric Standard Model featuring a non-minimal flavour violation in the second- and third-generation squark sector. The top squark in this model has two possible decay modes, either $ ilde{t}_1 ightarrow c ildeχ_1^0$ or $ ilde{t}_1 ightarrow t ildeχ_1^0$, where the $ ildeχ_1^0$ is undetected. The analysis is optimised assuming that both of the decay modes are equally probable, leading to the most likely final state of $tc + E_{ ext{T}}^{ ext{miss}}$. Good agreement is found between the Standard Model expectation and the data in the search regions. Exclusion limits at 95% CL are obtained in the $m( ilde{t}_1)$ vs $m( ildeχ_1^0)$ plane and, in addition, limits on the branching ratio of the $ ilde{t}_1 ightarrow t ildeχ_1^0$ decay as a function of $m( ilde{t}_1)$ are also produced. Top-squark masses of up to 800 GeV are excluded for scenarios with light neutralinos, and top-squark masses up to 600 GeV are excluded in scenarios where the neutralino and the top squark are almost mass degenerate.

研究の動機と目的

• 非最小的フレーバー破れを含む拡張MSSMを動機として、トップクォーク、 charm クォーク、および欠落運動量を含む最終状態におけるトップスクォーク対生成の探索を目的とする。
• トップスクォーク（˜t₁）が、トップクォークまたは charm クォークと軽いニュートラリノ（˜χ₀₁）に崩壊可能であり、後者は検出不能であるような状況を探索する。
• モデル依存およびモデル非依存の除外限界を、トップスクォーク質量および ˜t₁ → t˜χ₀₁ 崩壊の分岐比について設定する。
• トップクォークおよび charm クォークを含む最終状態への感度を高めるために、先進的な charm タギング技術を活用する。

提案手法

• 本分析では、LHCラン2期中にATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データ（√s = 13 TeV）を用いた。
• イベントは、トップクォークのハドロン的崩壊と、先進的な charm タギングアルゴリズムを用いた charm クォークの特定を焦点として再構築された。
• 本探索は、トップクォーク、charm クォーク、および欠落運動量（ETmiss）を伴う最終状態を標的とし、主要な信号モード ˜t₁˜t₁ → t c + ETmiss に対応する。
• ジェット、レプトン、および欠落運動量といった主要な物理オブジェクトにおけるシステムティック不確実性は、コントロール領域とシミュレーションに基づく補正を用いて評価された。
• プロファイル尤度フィットを実行し、信号強度および分岐比に関するモデル依存およびモデル非依存の限界を抽出した。
• 本分析では、˜t₁ → c˜χ₀₁ と ˜t₁ → t˜χ₀₁ の分岐比が等しいと仮定し、t+c+ETmiss最終状態への感度を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップクォーク、charm クォーク、および欠落運動量を含む最終状態におけるトップスクォーク対生成の除外限界は何か？
• RQ2 スクォーク系における非最小的フレーバー破れは、トップスクォークの崩壊分岐比にどのように影響するか？
• RQ3 軽いかほぼ縮退したニュートラリノを含む状況において、ATLAS実験はどの程度のトップスクォーク質量に感度を持つのか？
• RQ4 cタギング技術は、トップスクォークを含む圧縮型SUSY状況の発見可能性をどの程度向上できるか？
• RQ5 トップスクォーク質量の関数として、˜t₁ → t˜χ₀₁ の分岐比に課せられる制約は何か？

主な発見

• どの探索領域においても、標準模型背景を超える有意な過剰は観測されず、標準模型の予測と整合的であることが示された。
• 軽いニュートラリノ（m(˜χ₀₁) ≈ 0 GeV）を想定した状況では、95%信頼水準でトップスクォーク質量が800 GeVまで除外された。
• トップスクォークとニュートラリノがほぼ質量縮退している状況では、95%信頼水準でトップスクォーク質量が600 GeVまで除外された。
• ˜t₁ → t˜χ₀₁ の分岐比に関する除外限界は、m(˜t₁) の関数として導出され、500–800 GeVの範囲で最も強い制約が得られた。
• 本分析は、第3および第2世代クォークを含むトップスクォーク崩壊を探索するうえで、cタギング技術の有効性を示した。
• 本結果は、LHCにおいて、トップクォーク、charm クォーク、および欠落運動量を含む最終状態におけるトップスクォーク対生成の、初めての専用探索である。