[論文レビュー] Observation of four-top-quark production in the multilepton final state with the ATLAS detector

G. Aad, Abbott, Braden Keim+2977 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器が収集した140 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における4トップクォーク生成の初回観測を報告する。解析では、マルチリオン最終状態（2LSS/3L）において、多変数判別子とデータ駆動型バックグラウンド推定を用い、標準模型（SM）バックグラウンドのみの仮説に対して6.1σの有意性を達成し、22.5⁺⁶.⁶₋⁵.⁵ fbの断面積を測定した。これはSM予測の12.0 ± 2.4 fbと1.8σの範囲内で一致している。

ABSTRACT

This paper presents the observation of four-top-quark ($t\bar{t}t\bar{t}$) production in proton-proton collisions at the LHC. The analysis is performed using an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$ at a centre-of-mass energy of 13 TeV collected using the ATLAS detector. Events containing two leptons with the same electric charge or at least three leptons (electrons or muons) are selected. Event kinematics are used to separate signal from background through a multivariate discriminant, and dedicated control regions are used to constrain the dominant backgrounds. The observed (expected) significance of the measured $t\bar{t}t\bar{t}$ signal with respect to the standard model (SM) background-only hypothesis is 6.1 (4.3) standard deviations. The $t\bar{t}t\bar{t}$ production cross section is measured to be $22.5^{+6.6}_{-5.5}$ fb, consistent with the SM prediction of $12.0 \pm 2.4$ fb within 1.8 standard deviations. Data are also used to set limits on the three-top-quark production cross section, being an irreducible background not measured previously, and to constrain the top-Higgs Yukawa coupling and effective field theory operator coefficients that affect $t\bar{t}t\bar{t}$ production.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突でのレアな4トップクォーク（tt̄tt̄）生成過程の観測を目的とする。
• より高い感度と低減された系arness的不確実性を用いて、tt̄tt̄生成断面積を測定することを目的とする。
• トップクォークのヤコビ係数結合、有効場理論（EFT）オペレーター、ヒッグスの斜交パラメータを介して、標準模型を超える新しい物理を制約することを目的とする。
• tt̄tt̄探索における不可避的バックグラウンドである3トップクォーク（tt̄t）生成断面積に対する、初めての実験的限界を設定することを目的とする。
• 最適化された選別基準と多変数判別子を用いて、バックグラウンド推定と信号識別を向上させることを目的とする

提案手法

• トップクォーク崩壊に由来する2つの同電荷リオン（2LSS）または少なくとも3つの分離リオン（3L）を有するイベントの選別。
• イベントの運動学的特徴に基づく多変数判別子を用いて、tt̄tt̄信号と主要なバックグラウンドを分離。
• 2LSS/3Lチャンネルにおける主要な不可避的バックグラウンドであるtt̄W+jetsバックグラウンドを、データ駆動型技術で推定。
• tt̄Wおよびその他の還元可能なバックグラウンドを制約するための専用の制御領域の導入。
• 信号感度を向上させるために、改善されたbジャット識別と、リオンおよびジャットのより低い横断的運動量閾値の導入。
• 実験的不確実性、信号モデル化、バックグラウンド推定の各成分を含む、系統的不確実性の評価

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおけるマルチリオン最終状態での4トップクォーク生成断面積は、どのように測定されたか？
• RQ2 観測された信号は、標準模型バックグラウンドのみの仮説に対してどの程度有意か？
• RQ3 測定されたtt̄tt̄断面積は、SM予測の12.0 ± 2.4 fbとどの程度一致しているか？
• RQ4 tt̄tt̄生成に影響を与えるトップクォークヤコビ係数結合および有効場理論オペレーターに対する制限は何か？
• RQ5 3トップクォーク（tt̄t）生成断面積に対する、初めての実験的限界は何か？

主な発見

• SMバックグラウンドのみの仮説に対するtt̄tt̄信号の観測された有意性は6.1標準偏差であり、予想される有意性4.3σを上回っている。
• 測定されたtt̄tt̄生成断面積は22.5⁺⁶.⁶₋⁵.⁵ fbであり、SM予測の12.0 ± 2.4 fbと1.8σの範囲内で一致している。
• 本解析では、まだ測定されていない3トップクォーク（tt̄t）生成断面積に対する、初めての実験的限界が設定された。
• トップクォークヤコビ係数結合に対して制限が課され、SM値からのずれは95%信頼水準で除外された。
• 特にヒッグスの斜交パラメータに関連するものも含め、tt̄tt̄生成に影響を与える有効場理論オペレーター係数に対する制限が導出された。
• tt̄W+jetsバックグラウンドのデータ駆動型推定により、従来の解析と比較して系統的不確実性が低減され、信号純度が向上した。