[論文レビュー] Search for central exclusive production of top quark pairs in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with tagged protons

CMS, TOTEM Collaborations+2456 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 85被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、前方の陽子をタグした状態で、中央排他的なトップクォーク対生成を初めて探索した。CMSの中央検出器を用いてトップクォークを再構築し、CMS-TOTEM精度陽子分光計を用いて完全な陽子を検出することで、解析は交差断面積に対して95%信頼水準の上限として0.59 pbを設定した。これは標準模型の予測と整合的であり、異常な結合や有効場理論を通じて新しい物理学に感度を持つ。

ABSTRACT

A search for the central exclusive production of top quark-antiquark pairs ($\mathrm{t\bar{t}}$) is performed for the first time using proton-tagged events in proton-proton collisions at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data correspond to an integrated luminosity of 29.4 fb$^{-1}$. The $\mathrm{t\bar{t}}$ decay products are reconstructed using the central CMS detector, while forward protons are measured in the CMS-TOTEM precision proton spectrometer. An observed (expected) upper bound on the production cross section of 0.59 (1.14) pb is set at 95% confidence level, for collisions of protons with fractional momentum losses between 2 and 20%.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV における陽子-陽子衝突でのトップクォーク対生成を中央排他的な過程で探索すること。
• 中央排他的なtt̄生成の主要寄与としてのγγ融合メカニズムを調べること。
• 中央排他的なトップクォーク対生成の交差断面積に対して新たな実験的制限を設定すること。
• 標準模型を超える物理学、例えば異常なtγγ結合や追加次元への感度をテストすること。
• 現在のLHCの光度で、CT-PPSを用いた前方陽子タグを用いた、希少な排他的過程の観測可能性を検証すること。

提案手法

• CMS中央検出器を用いて、二重レプトンおよびレプトン+ジェット最終状態に注目してトップクォーク崩壊を再構築する。
• CMS-TOTEM精度陽子分光計（CT-PPS）を用いて、エネルギー損失率が2%〜20%の範囲にある完全な陽子を検出する。
• 中央検出器にトップクォーク崩壊の印跡と、2つの前方陽子を持つイベントを特定するためのイベント選別基準を適用する。
• NLO QCD補正を含むγγ → tt̄の信号およびバックグラウンド過程のためのモンテカルロシミュレーションを用いる。
• 粒子フロー再構築およびジェットクラスタリングアルゴリズムを用いて、積層の抑制およびジェットエネルギースケール補正を実施する。
• 95%信頼水準での交差断面積の上限を設定するために、プロファイル尤度フィットを用いた統計的モデリングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV における陽子-陽子衝突での中央排他的なトップクォーク対生成の交差断面積に対する上限は何か？
• RQ2 トップクォーク対生成におけるγγ融合メカニズムは、標準模型を超える新しい物理学に対してどの程度感度を持つのか？
• RQ3 CT-PPSを用いた前方陽子タグは、現在のLHCの光度で、tt̄生成のような希少な排他的過程の観測を可能にするか？
• RQ4 QEDおよびQCDのフェイズ空間における中央排他的なtt̄生成への寄与はそれぞれどの程度で、どちらが支配的か？
• RQ5 検出器再構築およびシミュレーションの系統的不確実性は、最終的な交差断面積の上限にどのように影響するか？

主な発見

• 中央排他的なtt̄生成の交差断面積に対する観測された95%信頼水準の上限は0.59 pbである。
• 標準模型のバックグラウンドのみの仮定下での期待される上限は1.14 pbであり、中程度の有意性感度を持つことが示された。
• エネルギー損失率が2%〜20%の範囲における陽子の部分的運動量損失に対して、交差断面積の上限が設定された。これはγγ融合の支配的寄与に関連する。
• 結果は標準模型の予測値0.22 ± 0.05 fb（γγ → tt̄）と整合的であるが、現在のところ信号を観測するには感度が十分でない。
• 本研究では、LHCで前方陽子タグを用いた排他的なトップクォーク対生成の探査が実現可能であることを示した。
• この手法は、異常なtγγ結合やトップクォークと光子の相互作用を含む有効場理論モデルに対する感受性を提供する。