[논문 리뷰] Evidence for four-top quark production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang외 2323명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 2016–2018년 동안 수집한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 LHC 데이터를 사용하여 양성자-양성자 충돌에서 네톱 쿼크(tttt) 생성에 대한 증거를 제시한다. 전적으로 하드론으로 끝나는 상태, 단일 렙톤 상태, 반대 전하의 이레프톤 상태를 분석하고, 새로운 딥 뉴럴 네트워크 기반 배경 추정 기법을 적용함으로써 관측된 의미도는 3.9σ(기대값 1.5σ)에 도달하였으며, 측정된 단면적은 36⁺¹²₋₁₁ fb로 나타났고, 통합 의미도는 4.0σ로 나타나 표준모형 예측과 일치한다.

ABSTRACT

The production of four top quarks ($\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$) is studied with LHC proton-proton collision data samples collected by the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, and corresponding to integrated luminosities of up to 138 fb$^{-1}$. Events that have no leptons (all-hadronic), one lepton, or two opposite-sign leptons (where lepton refers only to prompt electrons or prompt muons) are considered. This is the first $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ measurement that includes the all-hadronic final state. The observed significance of the $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ signal in these final states of 3.9 standard deviations (1.5 expected) provides evidence for $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ production, with a measured cross section of 36$^{+12}_{-11}$ fb. Combined with earlier CMS results in other final states, the signal significance is 4.0 standard deviations (3.2 expected). The combination returns an observed cross section of 17 $\pm$ 4 (stat) $\pm$ 3 (syst) fb, which is consistent with the standard model prediction.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 매우 희귀한 과정으로 예측된, √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 네톱 쿼크 생성을 관측하는 것.
• 기존에 QCD 다중제트 배경을 모델링하기 어려워 제외되었던 전적으로 하드론으로 끝나는 상태로의 tttt 생성 탐색을 확장하는 것.
• 통계적으로 독립적인 제어 영역을 사용하여 단일 렙톤, 반대 전하의 이레프톤, 전적으로 하드론으로 끝나는 상태의 결과를 통합함으로써 민감도를 향상시키는 것.
• 표준모형의 tttt 생성 예측을 검증하고, 토프 쿼크의 복합성 또는 추가 차원과 같은 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 제약하는 것.
• 특히 전적으로 하드론 채널에 적합한 고다중성 제트 환경에서, 딥 뉴럴 네트워크를 사용한 새로운 데이터 기반 배경 추정 기법의 유효성을 검증하는 것.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 수집한 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용한다.
• 전적으로 하드론으로 끝나는 상태의 제어 영역에서 QCD 다중제트 배경 분포를 추정하기 위해 딥 뉴럴 네트워크(DNN)를 적용하여 시뮬레이션 의존도를 감소시킨다.
• 입자 흐름 알고리즘과 고급 b-태깅 기법을 사용하여 최적화된 제트 및 렙톤 재구성 기법을 적용하여 토프 쿼크와 바텀 쿼크를 식별한다.
• 단일 렙톤 및 전적으로 하드론으로 끝나는 상태에서는 최소 3개의 b-제트가 필요하고, 반대 전하의 이레프톤 상태에서는 최소 2개의 b-제트가 필요하도록 이벤트 선택 기준을 적용한다.
• 전적으로 하드론으로 끝나는 상태, 단일 렙톤 상태, 반대 전하의 이레프톤 상태의 결과를 통계적 방법을 사용하여 통합하여 민감도를 향상시킨다.
• MADGRAPH5 aMC@NLO와 POWHEG를 사용하여 시뮬레이션된 신호 및 배경 샘플을 생성하며, 이는 NNLO 단면적과 매칭되고 데이터 측정 단면적을 재가중 처리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD 다중제트 배경을 모델링하기가 매우 어려운 전적으로 하드론으로 끝나는 상태에서 네톱 쿼크 생성이 관측될 수 있는가?
• RQ2 전적으로 하드론으로 끝나는 상태, 단일 렙톤 상태, 반대 전하의 이레프톤 상태의 데이터를 통합했을 때 tttt 생성의 의미도와 측정된 단면적은 무엇인가?
• RQ3 전적으로 하드론 채널의 포함이 이전 분석에 비해 tttt 생성에 대한 총 민감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 관측된 tttt 생성률은 NLO에서의 표준모형 예측값 12.0⁺².²₋².⁵ fb와 일치하는가?
• RQ5 데이터 기반 DNN 기반 배경 추정 기법이 고다중성 제트 최종 상태에서 체계적 불확실도를 얼마나 감소시키는가?

주요 결과

• CMS 협력 연구진은 전적으로 하드론으로 끝나는 상태, 단일 렙톤 상태, 반대 전하의 이레프톤 상태를 통합한 결과에서 tttt 생성에 대해 3.9 표준편차의 의미도(기대값 1.5σ)를 관측하였다.
• 전적으로 하드론으로 끝나는 상태, 단일 렙톤 상태, 반대 전하의 이레프톤 상태에서 측정된 단면적은 36⁺¹²₋₁₁ fb이며, 의미도는 3.9σ이다.
• 이전에 같은 전하 및 다중 렙톤 최종 상태에서의 CMS 결과와 통합했을 때 총 관측 의미도는 4.0 표준편차(기대값 3.2σ)에 도달하였다.
• 통합된 관측 단면적은 17 ± 4 (통계) ± 3 (체계적) fb로 나타나 표준모형 예측과 일치한다.
• 이전에 배경 모델링의 어려움으로 인해 제외되었던 전적으로 하드론으로 끝나는 최종 상태가 데이터 기반 DNN 기반 추정 전략을 통해 성공적으로 포함되었다.
• 이 분석은 복잡한 고다중성 최종 상태에서 배경 추정을 위한 딥러닝 기법의 실현 가능성을 입증하며, 도전적인 토프 쿼크 물리학 탐색에서 민감도 향상에 기여한다.