[論文レビュー] Search for new phenomena with top-quark pairs and large missing transverse momentum using 140 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $pp$ collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

G. Aad|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器が取得した13 TeVの陽子-陽子衝突データ140 fb⁻¹を用いて、大規模な欠落運動量を示すトップクォーク対イベントにおける新物理の探索を報告する。高度なニューラルネットワーク分類器を用い、ストップ超対称クォーク（最大1230 GeV）およびスピン0のダークマター媒介粒子（最大370 GeV）に対して新たな除外限界を設定した。質量差が小さい領域や複数の最終状態において、従来の探索に比べ感度が向上したが、標準模型背景を超える顕著な過剰は観測されなかった。

ABSTRACT

A search is conducted for new phenomena in events with a top quark pair and large missing transverse momentum, where the top quark pair is reconstructed in final states with one isolated electron or muon and multiple jets. The search is performed using the Large Hadron Collider proton--proton collision data sample at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV recorded by the ATLAS detector that corresponds to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. An analysis based on neural network classifiers is optimised to search for directly produced pairs of supersymmetric partners of the top quark (stop), and to search for spin-0 mediators, produced in association with a pair of top quarks, that decay into dark-matter particles. In the stop search, the analysis is designed to target models in which the mass difference between the stop and the neutralino from the stop decay is close to the top quark mass. This new search is combined with previously published searches in final states with different lepton multiplicities. No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set. Models with neutralinos with masses up to 570 GeV are excluded, while for small neutralino masses models are excluded for stop masses up to 1230 GeV. Scalar (pseudoscalar) dark matter mediator masses as large as 350 (370) GeV are excluded when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both set to one. At lower mediator masses, models with production cross-sections as small as 0.15 (0.16) times the nominal predictions are excluded. Results of this search are also used to set constraints on effective four-fermion contact interactions between top quarks and neutrinos.

研究の動機と目的

• トップクォーク対と大規模な欠落運動量を示す最終状態における新物理の探索。これは、超対称性やダークマターのモデルにおいて重要なシグネチャーである。
• ストップとニュートラリノの質量差がトップクォーク質量に近い、困難な領域における感度の向上。
• 1レプトン、0レプトン、2レプトンの複数の最終状態の結果を統合し、発見可能性を向上させる。
• 有効場理論（EFT）アプローチを用いて、トップクォークとニュートリノ間の4フェルミオン接触相互作用に対する制約を設定する。

提案手法

• ATLAS検出器が収集した、√s = 13 TeVのpp衝突データ140 fb⁻¹を用いる。
• ハドロン的崩壊するトップクォークを再構築し、信号とバックグラウンドを分類するためのニューラルネットワーク分類器を採用する。
• 質量差が小さいストップ対生成の解析を最適化し、従来の探索では困難であった領域に焦点を当てる。
• 1レプトン、0レプトン、2レプトンの最終状態からの結果を統計的に組み合わせ、感度を向上させる。
• 信号感度の向上を図るため、改善されたオブジェクト再構築、バックグラウンドシミュレーション、イベント分類を実施する。
• 有効場理論（EFT）フレームワークを用いて、トップクォークとニュートリノ間の4フェルミオン接触相互作用に対する制約を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストップ-ニュートラリノ質量差がトップクォーク質量に近い場合、ストップ超対称クォーク対生成の除外限界は何か？
• RQ2 スピン0の媒介粒子がダークマター粒子に崩壊する場合、異なる媒介粒子質量と結合定数において感度はどのように変化するか？
• RQ3 1レプトン最終状態の組み込みにより、他のレプトン多重度の探索と比較して全体の感度が向上するか？
• RQ4 このデータセットから、トップクォークとニュートリノ間の有効4フェルミオン接触相互作用に対する制約は何か？
• RQ5 この解析の結果は、同様の最終状態における以前のATLASおよびCMSの探索と比較してどう異なるか？

主な発見

• データにおいて、標準模型背景を超える顕著な過剰は観測されなかった。
• 小さなニュートラリノ質量を想定した場合、95%信頼水準でストップクォーク質量が最大1230 GeVまで除外された。
• ストップ-ニュートラリノ質量差がトップクォーク質量に近いモデルでは、ニュートラリノ質量が最大570 GeVまで除外された。
• 結合定数を1に設定した場合、スカラーおよびパリティ反転型のダークマター媒介粒子はそれぞれ最大350 GeVおよび370 GeVまで除外された。
• 低質量の媒介粒子では、予想される断面積の0.15～0.16倍の生成断面積を持つモデルも除外された。
• トップクォークとニュートリノ間の有効4フェルミオン接触相互作用に対する制約が設定され、以前のEFT解析の限界を改善した。