[論文レビュー] Search for singly produced vector-like top partners in multilepton final states with 139 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $pp$ collision data at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2972 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ATLAS実験が2015年から2018年までに取得した139 fb⁻¹の13 TeV陽子-陽子衝突データを用い、電弱相互作用による単独生成されたベクトル型トップパートナーズ（T）がZボソンとトップクォークに崩壊する過程を検索した。有意な過剰は観測されず、95%信頼水準での除外限界が得られた：シングレットTクォークでは、質量1000–1975 GeVの範囲で結合定数κが0.22から0.64の間が除外された。ダブルットTクォークでは、質量1000–1425 GeVの範囲でκが0.54から0.88の間が除外された。

ABSTRACT

A search for the single production of a vector-like top partner ($T$) decaying into a $Z$ boson and a top quark is presented, using the full Run 2 dataset corresponding to 139 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV, collected in 2015-2018 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The targeted final state is characterized by the presence of a pair of electrons or muons with opposite-sign charges which form a $Z$-boson candidate, as well as by the presence of $b$-tagged jets and forward jets. Events with exactly two or at least three leptons are categorized into two independently optimized analysis channels. No significant excess above the background expectation is observed and the results from the two channels are statistically combined to set exclusion limits at 95% confidence level on the masses and couplings of $T$ for different benchmark models and generalized branching ratio scenarios.

研究の動機と目的

• 多レプトン最終状態において、電弱相互作用による単独生成されたベクトル型トップパートナーズ（T）がZボソンとトップクォークに崩壊する過程を探索すること。
• 139 fb⁻¹のRun 2全データセットを用いて、標準模型を越える重いベクトル型クォークの存在を調べること。
• シングレットおよびダブルット表現におけるTクォークの質量と結合強度（κ）について、モデルに依存しない除外限界を設定すること。
• 最適化されたチャンネルを用いて、二レプトン（2ℓ）および三レプトン（3ℓ）最終状態を分析することで、ベクトル型クォークの結合定数に対する制約を強化すること。
• 電弱生成と崩壊のサインチャーモードを用いて、ヒッグス粒子質量の安定化を図るベクトル型クォークモデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 本分析では、2015年から2018年までにATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹のpp衝突データ（√s = 13 TeV）を用いた。
• イベントは二つの独立したチャンネルに分類された：二レプトン（正確に二つの異符号レプトン）と三レプトン（少なくとも三つのレプトン）で、それぞれ感度を最適化した。
• 最終状態には、異符号レプトン対から得られるZボソン候補、トップクォーク崩壊からのbタグ付きジェット、および信号の識別を高めるために前方ジェットが含まれる。
• 信号モデルは、Tクォークの質量（1.0–2.7 TeV）と結合強度（κ）を変化させたシミュレーションを用い、W T Z tおよびZ T Z tの図式による電弱生成を想定した。
• 標準模型の過程からのバックグラウンドは、データ駆動型手法とモンテカルロシミュレーションを用いて推定され、制御領域を用いてモデルの妥当性を検証した。
• 統計的有意性はプロファイル尤度比検定を用いて評価され、両チャンネルの結果はハイブリッド手法を用いて統合され、95%信頼水準での除外限界が設定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱相互作用による単独生成を仮定した場合、シングレット表現におけるベクトル型トップパートナーズ（T）の質量と結合強度（κ）に対する除外限界は何か？
• RQ2 生産断面積が低いにもかかわらず、ダブルット表現におけるTクォーク結合定数の除外限界はシングレット表現とどのように異なるか？
• RQ3 bタグ付きジェットおよび前方ジェットを含む多レプトン最終状態は、単独生成Tクォークに対する感度をどの程度向上させるか？
• RQ4 二レプトンおよび三レプトンチャンネルの個別および統合された感度は、1 TeVを超えるTクォーク質量を探索する上でどの程度か？
• RQ5 ヒッグス粒子質量の安定化をベクトル型クォークが果たすモデルに対する結果の制約は何か？

主な発見

• 二レプトンおよび三レプトンの両分析チャンネルにおいて、標準模型のバックグラウンドを超える有意な過剰は観測されなかった。
• 統合分析により、ベクトル型トップパートナーズ（T）の質量と結合強度（κ）について95%信頼水準での除外限界が設定された。特にシングレット表現で最も強い制約が得られた。
• シングレットTクォークでは、質量1000 GeVから1975 GeVの範囲で、κ = 0.22から0.64の間の結合定数が除外された。
• 生産断面積が顕著に低いダブルットTクォークでは、質量1000 GeVから1425 GeVの範囲で、κが0.54から0.88の間の結合定数が除外された。
• 本結果は、全Run 2データセットを用いた単独生成モードにおけるベクトル型トップパートナーズに対する、これまでで最も厳しい制約を示している。
• 本研究は、LHCにおいて高質量のベクトル型クォークを探索するにあたり、多レプトン最終状態にbタグ付きジェットおよび前方ジェットを組み合わせた手法の有効性を示した。