[論文レビュー] Search for pair-produced vector-like top and bottom partners in events with large missing transverse momentum in pp collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration, Aad, Georges+2954 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、139 fb⁻¹のATLASデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子–陽子衝突において、ペア生成されたベクトル型トップ（T）およびベトム（B）クォークの探索を報告する。1つのレプトン、大きな欠落運動量、および4つの以上のジェット（そのうち1つがbタグ付き）を含む最終状態において、多変量ニューラルネットワーク解析を実施した。標準模型との著しいずれのずれも観測されず、質量が縮退しているTおよびBクォークに対して95%信頼水準の下限は1.59 TeV、T→Zt（B→Wt）の排他的崩壊に対してはそれぞれ1.47 TeV（1.46 TeV）の下限が得られた。

ABSTRACT

A search for pair-produced vector-like quarks using events with exactly one lepton ($e$ or $\mu$), at least four jets including at least one $b$-tagged jet, and large missing transverse momentum is presented. Data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV, recorded by the ATLAS detector at the LHC from 2015 to 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$, are analysed. Vector-like partners $T$ and $B$ of the top and bottom quarks are considered, as is a vector-like $X$ with charge +5/3, assuming their decay into a $W$, $Z$, or Higgs boson and a third-generation quark. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section of $T$ and $B$ quark pairs as a function of their mass are derived for various decay branching ratio scenarios. The strongest lower limits on the masses are 1.59 TeV assuming mass-degenerate VLQs and branching ratios corresponding to the weak-isospin doublet model, and 1.47 TeV (1.46 TeV) for exclusive $T ightarrow Zt$ ($B/X ightarrow Wt$) decays. In addition, lower limits on the $T$ and $B$ quark masses are derived for all possible branching ratios.

研究の動機と目的

• 大規模な欠落運動量、1つのレプトン、複数のジェットを伴う最終状態において、ペア生成されたベクトル型トップおよびベトムクォーク（TおよびB）の探索を行う。
• 特にヒerarchy問題をベクトル型クォークによって解決するモデルを含む、標準模型を超える新しい物理の存在を探る。
• 単純なカット・アンド・カウント手法ではなく、多変量ニューラルネットワーク技術を用いることで、従来の探索手法よりも感度を向上させる。
• TおよびBクォークの質量制限を、モデルに依存しない形とブランチング比依存の形で、さまざまな崩壊状況において導出する。

提案手法

• 本分析では、Run 2（2015–2018）期にATLAS検出器が収集した、√s = 13 TeVのpp衝突データ139 fb⁻¹を用いる。
• イベントは、正確に1つの電子またはミューオン、大きな欠落運動量、および少なくとも4つのジェット（そのうち1つがbタグ付き）を含むものとして選別される。
• TおよびBクォークがZt、Ht、Wb、Wt（Xクォークの場合）に崩壊するシグナル事象のシミュレーションを用いて、共通のトレーニング領域でニューラルネットワークをトレーニングする。
• シグナル領域は、高いニューラルネットワーク出力を持つイベントを選別する。制御領域はトレーニング領域およびシグナル領域と直交するように定義され、バックグラウンドを制約する。
• ジェットエネルギースケール、レプトンおよびbタグ効率、およびランプの系統的不確実性が評価され、統計モデルに組み込まれる。
• 制御領域およびシグナル領域を同時にフィットすることで、シグナル断面積の上限を抽出し、TおよびBクォークの質量の下限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるペア生成において、さまざまな崩壊ブランチング比を仮定した場合の、ベクトル型トップおよびベトムクォークの質量下限は何か？
• RQ2 本最終状態において、多変量ニューラルネットワーク手法を用いることで、従来のカットベース分析に比べて感度がどのように向上するか？
• RQ3 弱アイソスピン単位体およびダブルレットモデルの文脈において、特にT→ZtおよびB→Wt崩壊モードのベクトル型クォークに対する制限は何か？
• RQ4 増加した統合ランプと向上した分析手法を踏まえて、本結果は過去の探索とどのように比較できるか？
• RQ5 すべての可能なブランチング比の組み合わせに対して、TおよびBクォークのモデルに依存しない質量下限は何か？

主な発見

• どのシグナル領域においても、標準模型のバックグラウンドを超える著しい過剰は観測されず、ベクトル型トップまたはベトムクォークのペア生成の証拠は得られなかった。
• TおよびBクォークの質量に対する最も強い下限は、質量が縮退していると仮定した場合の1.59 TeVであり、弱アイソスピンダブルレットモデルに対応するブランチング比を仮定した場合である。
• 排他的崩壊の場合、T→Ztに対しては1.47 TeV、B→Wtに対しては1.46 TeVの下限が得られ、後者は同じ崩壊モードを持つベクトル型Xクォークに対しても制限を及ける。
• すべての可能なブランチング比の組み合わせに対してモデルに依存しない制限が導出され、さまざまな崩壊状況においても高い感度が保証された。
• 多変量アプローチと高いランプを用いることで、従来の36 fb⁻¹データセットに比べて、本分析は感度を向上させ、より強い制限をもたらした。
• 結果は標準模型と整合的であり、本最終状態におけるベクトル型クォークペア生成に対する、これまでで最も厳しい制限を設定した。