[論文レビュー] Hunting scalar leptoquarks with boosted tops in pair and single production channels

Kushagra Chandak, Tanumoy Mandal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、トプ・クォークと電荷を帯びたレプトンに結合するTeVスケールのスカラー・レプトクォーク（$\phi_1$, $\phi_5$）のための統合探索戦略を提案する。加速したトプクォークと2つの高$ p_{\rm T} $の同じフラバーで異符号のレプトンを含むイベントを用いる。ペア生成と単一生成のチャンネルを統合することで、発見感度が向上し、特定の結合定数に対して14 TeVのHL-LHCで2.1 TeVまでのレプトクォークの$5\sigma$発見が可能になる。

ABSTRACT

The LHC search strategies for leptoquarks that couple dominantly to the top quark are different than the ones that couple mostly to light quarks. We consider TeV-scale charge 1/3 ($\phi_1$) and 5/3 ($\phi_5$) scalar leptoquarks that can decay to a top quark and a charged lepton pair ($t\ell$) giving rise to a resonance system with a boosted top quark and a high-$p_{ m T}$ lepton at the LHC. We implement a search strategy for these leptoquarks with a signal that is a combination of pair and single production channels by selecting events with at least one hadronically decaying boosted top and two high-$p_{ m T}$ same flavour opposite sign leptons. While the pair production is best for discovery in the lower mass region, our combined signal can substantially improve the LHC discovery reach as single productions generally overcome pair production in the high mass region. Contrary to the general consensus, we find that the single production of top-philic $\phi = \{\phi_1,\phi_5\}$ in association with a lepton and jets could be significant for order one $\phi t\ell$ coupling if $\phi$ couples to a left-handed top quark. Our estimate shows that the leptoquark searches in the $t\ell\ell+X$ channel can discover a scalar leptoquark as heavy as $2.1$ TeV with $5\sigma$ significance for some coupling configurations at the $14$ TeV HL-LHC.

研究の動機と目的

• トプ・フィリックなスカラー・レプトクォークが$ t\ell $最終状態に崩壊する場合、既存のLHC探索戦略の発見感度が限界に達している問題に対処すること。
• ペア生成が効果を失う高質量領域における感度向上を図ること。
• オーダー1の$\phi t\ell$結合定数を持つトプ・フィリックなレプトクォークにおける単一生成チャンネルの重要性を検討すること。
• ペア生成と単一生成を統合した包括的な探索戦略を構築し、発見可能性を向上させること。

提案手法

• 少なくとも1つのハドロン的崩壊を示す加速したトプクォークと、2つの高$ p_{\rm T} $の同じフラバーで異符号のレプトンを含むイベントを選択する。
• 加速したトプクォークの運動量再構築と高$ p_{\rm T} $レプトンの識別を用いて信号領域を定義する。
• ペア生成（$\phi\phi \to t\bar{t}\ell\ell$）と単一生成（$q\bar{q},\, qg \to \phi t\ell + X$）チャンネルを統合する。
• 左巻きトプクォークの結合が単一生成の寄与を強化するという事実を考慮する。
• 全質量範囲にわたる感度を最大化するために、統合された信号領域を構築する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて信号およびバックグラウンド過程をモデル化し、さまざまな結合定数設定における$5\sigma$発見の有意水準を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペア生成のみに依存する場合と比較して、ペア生成と単一生成を統合した探索戦略は、トプ・フィリックなスカラー・レプトクォークの発見感度を著しく向上させ得るか？
• RQ2 $\phi$が左巻きトプクォークに結合する場合、高質量領域における$\phi t\ell$の単一生成がどの程度の重要性を有するか？
• RQ3 14 TeVのHL-LHCにおいて、$t\ell\ell + X$最終状態で$5\sigma$の有意水準で発見可能なレプトクォークの最大質量は何か？
• RQ4 高質量領域において、単一生成を組み込むことでペア生成のみの戦略に比べて感度が著しく向上するか？
• RQ5 どの結合定数設定が、2.1 TeVまでのスカラー・レプトクォークの発見を可能にするか？

主な発見

• ペア生成と単一生成を統合した探索戦略は、ペア生成のみに依存する場合と比較して、トプ・フィリックなスカラー・レプトクォークのLHCにおける発見感度を顕著に向上させる。
• 単一生成の$\phi t\ell$生成は、一般的に無視可能とされるが、高質量領域では支配的寄与となることが判明した。
• 左巻きトプクォークにオーダー1の$\phi t\ell$結合定数を持つ場合、単一生成が顕著な信号寄与を寄与する。
• 特定の結合定数設定において、14 TeVのHL-LHCで2.1 TeVまでのスカラー・レプトクォークを$5\sigma$で発見可能である。
• 加速したトプクォークを伴う$t\ell\ell + X$最終状態は、重いスカラー・レプトクォークを探査する強力なチャンネルを提供する。
• 分析により、特に左巻きトプクォークに結合する場合、単一生成が高質量領域でペア生成を上回ることが示された。