[論文レビュー] Evidence for four-top quark production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2323 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CMS実験によるLHCデータ138 fb⁻¹を用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、四トップクォーク（tttt）生成の証拠を提示する。全ハドロン的、シングルレプトン、逆符号双レプトンの最終状態を分析し、新規の深層ニューラルネットワークベースのバックグラウンド推定手法を用いることで、観測された有意水準は3.9σ（予想される1.5σ）に達し、測定された断面積は36⁺¹²₋₁¹ fb、統合有意水準は4.0σとなり、標準模型の予測と整合的である。

ABSTRACT

The production of four top quarks ($\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$) is studied with LHC proton-proton collision data samples collected by the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, and corresponding to integrated luminosities of up to 138 fb$^{-1}$. Events that have no leptons (all-hadronic), one lepton, or two opposite-sign leptons (where lepton refers only to prompt electrons or prompt muons) are considered. This is the first $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ measurement that includes the all-hadronic final state. The observed significance of the $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ signal in these final states of 3.9 standard deviations (1.5 expected) provides evidence for $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ production, with a measured cross section of 36$^{+12}_{-11}$ fb. Combined with earlier CMS results in other final states, the signal significance is 4.0 standard deviations (3.2 expected). The combination returns an observed cross section of 17 $\pm$ 4 (stat) $\pm$ 3 (syst) fb, which is consistent with the standard model prediction.

研究の動機と目的

• 標準模型において極めてまれであると予測される、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における四トップクォーク生成の観測を目的とする。
• QCDマルチジェット背景のモデル化が困難なため、これまで除外されていた全ハドロン的最終状態へのtttt生成の探索を拡張することを目的とする。
• 統計的に独立した制御領域を用いて、シングルレプトン、逆符号双レプトン、全ハドロンの複数の最終状態の結果を統合することで感度を向上させることを目的とする。
• 標準模型のtttt生成予測を検証し、トップクォークの複合性や追加次元といった標準模型を超える新しい物理を制限することを目的とする。
• 特に全ハドロンチャンネルにおいて、高多重ジェット環境でのバックグラウンド推定に深層ニューラルネットワークを用いた新規のデータ駆動型推定手法の妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• 2016–2018年の間、√s = 13 TeVでCMS検出器が収集した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• 全ハドロン的最終状態の制御領域におけるQCDマルチジェットバックグラウンド分布を推定するために深層ニューラルネットワーク（DNN）を適用し、シミュレーションへの依存度を低減する。
• 粒子フロー法と高度なbタギング技術を用いて最適化されたジェットおよびレプトン再構築を実施し、トップおよびボトムクォークを同定する。
• シングルレプトンおよび全ハドロン的最終状態では少なくとも3つのbジェット、逆符号双レプトン最終状態では少なくとも2つのbジェットを要件とする。
• 全ハドロン的、シングルレプトン、逆符号双レプトンの3つの最終状態の結果を統計的手法を用いて統合し、感度を向上させる。
• MADGRAPH5 aMC@NLOおよびPOWHEGを用いて生成されたシミュレーテッド信号およびバックグラウンドサンプルを、NNLO断面積にマッチさせ、データ測定断面積に再重み付けする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCDマルチジェット背景のモデル化が極めて困難な全ハドロン的最終状態において、四トップクォーク生成が観測可能かどうか。
• RQ2 全ハドロン的、シングルレプトン、逆符号双レプトン最終状態のデータを統合した場合、tttt生成の有意水準と測定断面積はそれぞれどのようになるか。
• RQ3 全ハドロンチャンネルの導入が、以前の解析と比較して、tttt生成に対する全体の感度をどの程度向上させるか。
• RQ4 観測されたtttt生成率は、NLOにおける標準模型予測（12.0⁺².²₋².⁵ fb）と整合的か。
• RQ5 データ駆動型DNNベースのバックグラウンド推定手法が、高多重ジェット最終状態における系統的不確実性をどの程度低減するか。

主な発見

• CMSコラボレーションは、全ハドロン的、シングルレプトン、逆符号双レプトンの最終状態を統合した結果、tttt生成に対して3.9標準偏差（予想される1.5σ）の有意水準を観測した。
• 全ハドロン的、シングルレプトン、逆符号双レプトンチャンネルにおける測定断面積は36⁺¹²₋₁₁ fbであり、有意水準は3.9σであった。
• 同じ符号およびマルチレプトン最終状態における以前のCMS結果と統合した結果、全観測有意水準は4.0標準偏差（予想される3.2σ）に達した。
• 統合された観測断面積は17 ± 4（統計）± 3（系統的）fbであり、標準模型の予測と整合的であった。
• バックグラウンドモデル化の困難さにより、これまで除外されていた全ハドロン的最終状態が、データ駆動型DNNベースの推定戦略により成功裏に統合された。
• 本分析は、複雑で高多重ジェットな最終状態におけるバックグラウンド推定に深層学習技術を適用する有効性を示し、挑戦的なトップクォーク物理学探索における感度向上を実現した。