[論文レビュー] Search for W' bosons decaying to a top and a bottom quark in leptonic final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2369 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、CMSが収集した138 fb⁻¹のプロトン-プロトン衝突データを用い、√s = 13 TeVにおけるW′ボソンがトップおよびボトムクォークに崩壊する過程を調査した。有意な過剰は観測されず、幅が狭い場合に95%信頼水準で左巻きおよび右巻きのW′ボソンがそれぞれ3.9 TeVおよび4.3 TeV未満の質量で除外された。これは幅が30%まで拡張された領域に対しても感度が向上したことを示している。

ABSTRACT

A search for W' bosons decaying to a top and a bottom quark in final states including an electron or a muon is performed with the CMS detector at the LHC. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 Tev. Good agreement with the standard model expectation is observed and no evidence for the existence of the W' boson is found over the mass range examined. The largest observed deviation from the standard model expectation is found for a W' boson mass ($m_\mathrm{W'}$) hypothesis of 3.8 TeV with a relative decay width of 1%, with a local (global) significance of 2.6 (2.0) standard deviations. Upper limits on the production cross sections of W' bosons decaying to a top and a bottom quark are set. Left- and right-handed W' bosons with $m_\mathrm{W'}$ below 3.9 and 4.3 TeV, respectively, are excluded at the 95% confidence level, under the assumption that the new particle has a narrow decay width. Limits are also set for relative decay widths up to 30%. These are the most stringent limits to date on this W' boson decay channel.

研究の動機と目的

• 13 TeV LHCにおける電子またはミュオンを伴う最終状態において、トップおよびボトムクォークに崩壊するW′ボソンの探索を通し、数TeVの質量領域を調査すること。
• 既存の探索を3 TeVを超えて拡張し、レプティック崩壊を示す高エネルギーのトップクォークに焦点を当てること。
• 広範なW′ボソンの幅（1%～30%）およびヘリシティ（左巻きおよび右巻き）をカバーし、多様な新しい物理モデルの解釈を可能にすること。
• 幅およびヘリシティに関する異なる仮定の下でW′生成断面積の上限を設定し、新しいゲージボソンに対する制約を強化すること。
• 広い幅を持つ状況におけるオフシェルW′生成の課題に取り組み、標準的な再構成手法が機能しない場合を想定すること。

提案手法

• CMS検出器が収集した√s = 13 TeVにおける138 fb⁻¹のプロトン-プロトン衝突データを用いる。
• ブーストされたトップクォーク（t → Wb → ℓνbb）を識別するため、高度なジェット再構成およびサブストラクチャーテクニックを適用する。
• bジェットの識別およびパイルアップ低減にDeepJetアルゴリズムを用い、個々の粒子識別を活用する。
• 運動量フィットを用いて解像度を向上させ、bジェットとレプトンジェット系のインバリアント質量からトップクォーク質量を再構成する。
• プロファイルされたノイズパラメータを用いた尤度ベースの統計的手法により、W′信号断面積の上限を設定する。
• 質量が2～6 TeVの範囲で、相対的幅（Γ/mW′ = 1%、10%、20%、30%）およびヘリシティ（LH、RH、混合）を変化させた信号サンプルをシミュレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV LHCエネルギー下で、電子またはミュオンを伴う最終状態において、トップおよびボトムクォークに崩壊するW′ボソンを観測できるか？
• RQ2 最大30%に達する大きな崩壊幅が、トップクォーク崩壊シグネチャにおけるW′ボソンの再構成および感度にどのように影響するか？
• RQ3 幅が狭いか広いかにかかわらず、広い質量範囲にわたる左巻きおよび右巻きW′ボソンの除外限界は何か？
• RQ4 標準模型sチャネル単一トップ生成とW′媒介トップ生成の干渉が、左巻きW′ボソンの信号形状にどのように影響するか？
• RQ5 特に幅が大きい場合に、オフシェルW′寄与が再構成されたトップクォーク質量分布をどの程度歪めるか？

主な発見

• W′ボソンの質量が2～6 TeVの全範囲で、標準模型の期待値を上回る有意な過剰は観測されなかった。
• 相対的幅が1%の3.8 TeVのW′質量仮説において、最大の局所的（グローバル）な有意差は2.6σ（2.0σ）であった。
• 幅が狭いと仮定した場合、左巻きW′ボソンは95%信頼水準で3.9 TeV未満の質量で除外された。
• 同様の仮定のもとで、右巻きW′ボソンは95%信頼水準で4.3 TeV未満の質量で除外された。
• 除外限界は相対的幅が最大30%まで拡張され、これまで未踏であったパラメータ空間の領域が探査された。
• 本分析では、広い幅を持つW′ボソンがオフシェル生成により、幅広く非対称な質量ピークを形成することを示し、信号モデルでこれを適切に取り入れた。