[論文レビュー] Search for a third-generation leptoquark coupled to a $ au$ lepton and a b quark through single, pair, and nonresonant production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2373 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 141被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、13 TeVの陽子-陽子衝突において、τレプトンとbクォークと結合する第3世代レプトクォーク（LQ）の探索を、CMSが取得した138 fb⁻¹のデータを用いて行う。単一、ペア、非共鳴tチャネルLQ生成を調査し、λ = 2.5の条件下で2 TeVのLQ質量において2.8σの局所的過剰が観測された。スカラー／ベクトルLQについては、結合定数が2.5未満の範囲で1.22–1.88 TeV未満の質量領域が除外され、非共鳴的限界は2.3 TeVに達する。

ABSTRACT

A search is presented for a third-generation leptoquark (LQ) coupled exclusively to a $ au$ lepton and a b quark. The search is based on proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded with the CMS detector, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events with $ au$ leptons and a varying number of jets originating from b quarks are considered, targeting the single and pair production of LQs, as well as nonresonant $t$-channel LQ exchange. An excess is observed in the data with respect to the background expectation in the combined analysis of all search regions. For a benchmark LQ mass of 2 TeV and an LQ-b-$ au$ coupling strength of 2.5, the excess reaches a local significance of up to 2.8 standard deviations. Upper limits at the 95% confidence level are placed on the LQ production cross section in the LQ mass range 0.5-2.3 TeV, and up to 3 TeV for $t$-channel LQ exchange. Leptoquarks are excluded below masses of 1.22-1.88 TeV for different LQ models and varying coupling strengths up to 2.5. The study of nonresonant $ au au$ production through $t$-channel LQ exchange allows lower limits on the LQ mass of up to 2.3 TeV to be obtained.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、τレプトンとbクォークにのみ結合する第3世代レプトクォーク（LQ）の探索を目的とする。
• 一度の統合的解析で、単一、ペア、非共鳴的tチャネルLQ生成メカニズムを同時に探査することを目的とする。
• B → DτνおよびB → D*τν崩壊における異常を、LQ媒介寄与によって解釈することを目的とする。
• さまざまなLQモデルにおけるLQ生成断面積および質量しきい値の、これまでで最も厳密な限界を設定することを目的とする。

提案手法

• CMS検出器が√s = 13 TeVで取得した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• 完全ハドロン的（τhτh）、半レプトン的（eτh, µτh）、完全レプトン的（eµ, µµ）のτレプトン崩壊の複数のモードを分析する。
• 高pTのジェットの有無およびbジェットタグの有無に基づいてイベントを分類し、共鳴的（単一／ペア）と非共鳴的（tチャネル）生成を区別する。
• ジェットが豊富な領域における運動量和（H_T）のスカラー和と、ジェットが少ない領域における角度分布を同時にフィットして信号を抽出する。
• 粒子フロー再構成、深層ニューラルネットワークを用いたτおよびbジェット識別、ジェットエネルギー補正といった高度なオブジェクト再構成技術を用いる。
• ジェットエネルギースケール、τ識別、bタグ効率、および照射率に関する系統的不確実性補正を適用し、SMバックグラウンドを統計モデルでモデリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMS実験は、単一、ペア、非共鳴的tチャネル生成の各状況において、τおよびbクォークに崩壊する第3世代レプトクォークに対して、どの程度の感度を持つのか？
• RQ2 観測データは、標準模型の期待値を上回る有意な過剰を示しているか？
• RQ3 スカラーおよびベクトルレプトクォークの生産断面積および除外質量しきい値の、これまでで最も厳しい上限は何か？ これは結合定数の変動に応じてどう変化するか？
• RQ4 非共鳴的tチャネルLQ交換は、ττ最終状態にどのように寄与するのか？ また、このチャネルからどの程度の質量限界を設定できるか？
• RQ5 2 TeVのLQ質量において観測された2.8σの局所的過剰は、新しい物理的信号に起因するのか、それともバックグラウンドの揺らぎと一致するのか？

主な発見

• ベンチマークのLQ質量2 TeVおよび結合定数λ = 2.5の条件下で、統合解析領域において2.8標準偏差の局所的過剰が観測された。
• 質量が0.5〜2.3 TeVの範囲で、LQ生成断面積に対する95%信頼水準の上限が設定された。非共鳴的tチャネルの限界は3 TeVまで延長された。
• スカラーおよびベクトルレプトクォークは、λ = 2.5までの結合定数において、1.22–1.88 TeV未満の質量領域が除外された（モデルに応じて異なる）。
• tチャネルLQ交換による非共鳴的ττ生成から、LQ質量の下限が最大2.3 TeVに達する。
• この解析は、非共鳴的生成において、以前のATLASおよびCMSの限界を改善し、λ = 2.5のベクトルLQに対しては除外到達域が2.05 TeVまで拡大された。
• 本結果は、13 TeVのLHCデータにおいて、第3世代レプトクォークがτおよびbクォークと結合する場合の、これまでで最も包括的かつ厳密な制約を提供する。