[論文レビュー] Search for pair-production of vector-like quarks in $pp$ collision events at $\sqrt{s}=13$ TeV with at least one leptonically decaying $Z$ boson and a third-generation quark with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2880 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、13 TeVのpp衝突データ（139 fb⁻¹）を用い、ATLAS検出器を用いて、レプトンとして崩壊するZボソン、bタグ付きジェット、および高運動量の大半径ジェットを伴う最終状態における、ベクトル型のトプ・クォーク（T）およびボトム・クォーク（B）の対生成を探索した。有意な過剰は観測されず、95%信頼区間における現在までで最も厳しい除外限界が得られた：ZtおよびZbに100%の分支比を持つ場合、それぞれm_T > 1.60 TeVおよびm_B > 1.42 TeVである。

ABSTRACT

A search for the pair-production of vector-like quarks optimized for decays into a Z boson and a third-generation Standard Model quark is presented, using the full Run 2 dataset corresponding to 139fb−1 of pp collisions at s=13TeV, collected in 2015–2018 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The targeted final state is characterized by the presence of a Z boson with high transverse momentum, reconstructed from a pair of same-flavour leptons with opposite-sign charges, as well as by the presence of b-tagged jets and high-transverse-momentum large-radius jets reconstructed from calibrated smaller-radius jets. Events with exactly two or at least three leptons are used, which are further categorized by the presence of boosted W, Z, and Higgs bosons and top quarks. The categorization is performed using a neural-network-based boosted object tagger to enhance the sensitivity to signal relative to the background. No significant excess above the background expectation is observed and exclusion limits at 95% confidence level are set on the masses of the vector-like partners T and B of the top and bottom quarks, respectively. The limits depend on the branching ratio configurations and, in the case of 100% branching ratio for T→Zt and 100% branching ratio for B→Zb, this search sets the most stringent limits to date, allowing mT>1.60TeV and mB>1.42TeV, respectively.

研究の動機と目的

• レプトンとして崩壊するZボソンと第3世代クォークを含む最終状態における、対生成されたベクトル型クォーク（TおよびB）の探索。
• ブーストされたW、Z、ヒッグスおよびトップクォークの崩壊を識別するニューラルネットワークベースのブースト対象タッカーを用いることで感度を向上。
• 特にZtおよびZbへの100%の分支比を想定した場合を含め、さまざまな分支比設定におけるベクトル型クォーク質量の最も厳しい除外限界を設定。
• ヒッグス質量を安定化させる予測を行う、コンposite HiggsやLittle Higgsなどの標準模型の拡張モデルを検証。
• Run 2の全データセット（139 fb⁻¹）を活用し、同様の最終状態における以前のATLAS探索を上回る感度を向上。

提案手法

• Zボソンの崩壊から生じる同一フレーバーで電荷が反対の2つのレプトン（e⁺e⁻またはμ⁺μ⁻）、bタグ付きジェット、および高横動量の大半径ジェットを有するイベントを選別。
• 大半径ジェットは、補正済みの小半径ジェットを用いたジェットクラスタリングアルゴリズムにより再構築され、多次元ニューラルネットワークタッカーを用いてブーストされたW、Z、ヒッグスおよびトップクォークの崩壊をタグ付け。
• ブースト対象の有無とレプトン多重度（2個または3個以上）に基づいてイベントをカテゴリ化し、背景に対して信号の感度を向上。
• 複数のイベントカテゴリにわたる最尤フィットを実行し、信号の有意性を抽出し、除外限界を設定。
• ジェットエネルギースケール、レプトンの再構築と識別、bタグ効率、バックグラウンドモデル化の系統的不確実性を評価。
• ベクトル型クォーク対の強い生成を仮定し、電弱寄与は無視可能とし、さまざまな分支比設定において信号の運動学的性質が類似していると仮定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZtおよびZbへの100%の分支比を持つ場合、ベクトル型トップクォークおよびボトムクォーク質量に対する、最も厳しい除外限界は何か？
• RQ2 ブースト対象タッキングを組み込むことで、Zボソンと第3世代クォークを含む最終状態におけるベクトル型クォーク信号の感度はどの程度向上するか？
• RQ3 スケール型またはダブルット表現を持つベクトル型クォークモデルに対して、どのような制約を課すことができるか、特に中間の分支比について。
• RQ4 同様の最終状態における以前のATLASおよびLHCの探索と比較して、今回の結果は質量の到達範囲においてどの程度優れているか？
• RQ5 多次元ニューラルネットワークタッカーを用いることで、高多重度・高pT最終状態におけるバックグラウンド寄与はどの程度低減され、信号感度はどの程度向上するか？

主な発見

• 139 fb⁻¹の全データセットにおいて、標準模型のバックグラウンド予想を上回る有意な過剰は観測されなかった。
• Ztへの100%の分支比の場合、ベクトル型トップクォーク質量に対する95%信頼区間の除外限界はm_T > 1.60 TeVである。
• Zbへの100%の分支比の場合、ベクトル型ボトムクォーク質量に対する95%信頼区間の除外限界はm_B > 1.42 TeVである。
• これらの限界は、T→ZtおよびB→Zbの崩壊チャネルにおいて、これまでで最も厳しい制約を示している。
• 同様の最終状態における以前のATLAS探索に比べ、ブースト対象タッキングと洗練されたカテゴリゼーション方式を組み込むことで、感度が向上した。
• 特にスケール型およびダブルット表現におけるベクトル型クォークを含む、ヒッグスボソン質量を安定化させるモデル（例：Composite HiggsやLittle Higgsモデル）を制約した。