[論文レビュー] Search for charged lepton-flavour violation in top-quark decays at the LHC with the ATLAS detector

C. A. Gottardo|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、LHCのATLAS検出器が収集した13 TeVの陽子-陽子衝突データ79.8 fb⁻¹を用いて、トップクォーク崩壊における電荷を帯びたレプトンフレーバー違反（cLFV）の直接探索を実施した。3つの電荷を帯びたレプトン、軽いジェット、およびbジェットを含むイベントに対して、多変量ブースト決定木解析を適用し、95%信頼水準における上限として、$\mathcal{B}(t\to\ell\ell^{\prime}q) < 1.86 \times 10^{-5}$ を設定した。これは、現在までに得られた最も感受性の高い直接探索結果である。

ABSTRACT

A direct search for charged lepton-flavour violation in top-quark decays is presented. The data analysed correspond to $79.8\ ext{fb}^{-1}$ of proton--proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\ ext{TeV}$ recorded by the ATLAS experiment at the LHC. The process studied is the production of top-quark pairs, where one top quark decays into a pair of opposite-sign different-flavour charged leptons and an up-type quark, while the other decays semileptonically according to the Standard Model. The signature of the signal is thus characterised by the presence of three charged leptons, a light jet and a $b$-jet. A multivariate discriminant is deployed and its distribution used as input to extract the signal strength. In the absence of a signal, an upper limit on the branching ratio of ${\cal B}(t o \ell \ell' q) &lt; 1.86 imes 10^{-5}$ is set at the 95\% confidence level.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える新しい物理の兆候である、トップクォーク崩壊における電荷を帯びたレプトンフレーバー違反（cLFV）の探索を目的とする。
• 3つの電荷を帯びたレプトン、軽いジェット、およびbジェットを含む最終状態を伴う、トップクォーク崩壊におけるcLFVを探査することを目的とする。
• LHCの13 TeV運転期間のデータを用いて、$t \to \ell\ell'q$の分岐比に対する直接実験的上限を設定することを目的とする。
• 非プロンプトレプトン背景をデータ駆動型手法でモデル化することにより、cLFVに対する感度を向上させることを目的とする。

提案手法

• 本分析では、ATLAS検出器が収集した13 TeVの$pp$衝突データ79.8 fb⁻¹を用いた。
• 信号イベントは、3つの再構築済みの電荷を帯びたレプトン（電子またはミューオン）と、少なくとも2つのジェット、および正確に1つの$b$タグ付きジェットを含む条件で選別され、少なくとも1つの電子と1つのミューオンが含まれる必要がある。
• 信号とバックグラウンドを区別するために、13個の入力変数を用いて多変量ブースト決定木（BDT）判別子を訓練した。この訓練には、シミュレートされたイベントを用いた。
• バックグラウンドは、プロンプトレプトンイベントのシミュレーションと、$b$および$c$ハドロンの崩壊に起因する非プロンプトレプトンのデータ駆動型手法の組み合わせでモデル化された。
• 非プロンプトレプトン背景とシミュレートされたサンプルの両方に、系統的不確実性を割り当てた。そのうち、非プロンプトレプトン背景の不確実性が主な不確実性要因であった。
• 95%信頼水準における信号強度の上限を設定するために、CL$_s$法を用いたビン化されたプロファイル尤度フィットを実行した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCデータによって制約される、電荷を帯びたレプトンフレーバー違反を伴うトップクォーク崩壊$t \to \ell\ell'q$の分岐比の上限は何か？
• RQ2 現在の統計量と検出器性能を考慮した場合、ATLAS実験はトップクォーク崩壊におけるcLFVに対してどの程度感受性を有しているか？
• RQ3 $b$および$c$ハドロンの崩壊に起因する非プロンプトレプトンは、信号領域のバックグラウンドにどの程度寄与しているか？
• RQ4 cLFV崩壊頂点から$\tau$レプトンを除外した場合、探索の感度にどのような影響があるか？
• RQ5 特に非プロンプトレプトンモデル化に起因する系統的不確実性が、最終的な上限に与える影響は何か？

主な発見

• 観測された$t \to \ell\ell'q$の分岐比の上限は、95%信頼水準で$1.86 \times 10^{-5}$であった。
• 予想される上限は$1.36^{+0.61}_{-0.37} \times 10^{-5}$であり、観測された上限と整合的であった。
• $\tau$レプトンをcLFV崩壊頂点から除外した場合、$e\mu q$最終状態の観測上限は$6.6 \times 10^{-6}$に厳しくなる。
• $\tau$レプトンを含まない$e\mu q$最終状態の予想上限は$4.8^{+2.1}_{-1.4} \times 10^{-6}$であり、感度の向上が示された。
• 非プロンプトレプトン背景は顕著に寄与しており、全バックグラウンド収率における10%の不確実性と、観測上限に9%の影響を与えた。
• BDT判別子は信号とバックグラウンドを効果的に分離した。信号領域のデータは、標準模型の予測と整合的であった。