[논문 리뷰] Leptoquark searches in CMS

Y. Takahashi|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌을 이용해 스칼라 및 벡터 렙토퀀크(LQs)에 대한 업데이트된 CMS 검색 결과를 제시한다. 통합 루미노사티의 양은 35.9 fb⁻¹이며, 이는 제2 및 제3세대 LQs가 두 뮤온, 두 타온, 또는 미량의 횡방향 에너지를 가진 최종 상태로 붕괴하는 경우를 중심으로 하며, 다변량 및 컷 기반 분석 기법을 활용해 엄격한 배제 한계를 설정한다. 제2세대 LQs의 경우 β = 1.0일 때 질량이 1530 GeV 이하로 배제되며, 제3세대 LQs의 경우 95% 신뢰수준에서 750 GeV 이하로 배제된다. 이는 B-물리학 이상현상들을 설명하는 모델을 제약한다.

ABSTRACT

Leptoquarks (LQs) are hypothetical bosons, each coupling to a lepton and a quark of a given generation. They recently got particular attention, as the "TeV-scale LQ" might explain observed anomalies reported by dedicated B physics experiments. In these proceedings, the recent progress of the direct searches on LQs at CMS experiment is presented. The results are based on a data sample of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded with the CMS detector corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb-1.

연구 동기 및 목표

• B-물리학 붕괴에서 관측된 이상현상들에 기인하여, √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 스칼라 및 벡터 렙토퀀크(LQs)를 검색하는 것.
• 관측된 B → K*μ⁺μ⁻ 붕괴에서의 B-물리학 이상현상들을 설명하는 데 TeV 스케일의 LQs가 가능한 해결책인지 테스트하는 것.
• 기존의 스쿼크 및 글루아이노 검색 결과를 재해석하여 LQ 쌍 생성 및 단일 생성의 감도를 향상시키는 것.
• 톱, 바텀 및 타 온 쿼크를 포함한 최종 상태, 특히 미량의 횡방향 에너지 및 b-제트를 포함한 최종 상태로의 LQ 검색 범위를 확장하는 것.
• 특히 B-물리학 이상현상을 설명하는 데 쓰이는 모델들을 위해, LQ 질량과 요카다 상수의 95% 신뢰수준 배제 한계를 설정하는 것.

제안 방법

• μμjj 및 μνjj 채널에서는 컷-앤-카운트 방법을 사용하며, ST^μμjj, Mμμ 및 M^min_μj에 최적화된 운동학적 컷을 적용하여 신호 대 배경 비율을 향상시킨다.
• ννjj, ννbb 및 ννtt 최종 상태의 경우, 이전의 스쿼크/글루아이노 검색 결과를 재해석하며, LQ 쌍 생성에 대해 유사한 수용률을 가진다고 가정한다.
• ττtt 및 ττbb 채널에서는 고체적으로 붕괴하는 타 온 렙톤(τh)을 사용하며, 고립성 및 전하 조건을 요구하고, 최소한 하나의 b-태깅 제트를 요구하여 토프/바텀 쿼크 서명을 강화한다.
• 배경는 QCD 다중제트에 대해 데이터 기반 기법으로 추정하고, t¯t 및 Z+jets에 대해서는 시뮬레이션 샘플을 사용하며, 신호 추출에 이분할 최대우도 적합을 사용한다.
• 신호 감도 향상과 체계적 오차 제약 강화를 위해, 여러 최종 상태(eτh, μτh, τhτh 및 eμ 제어 영역)의 결과를 통합한다.
• LQ 질량과 분해율 β에 대해 95% 신뢰수준에서 배제 한계를 설정하며, 감도는 요카다 상수 λ에 따라 달라진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제2세대 렙토퀀크가 두 뮤온 또는 뮤온-중성자-제트로 붕괴하는 경우 CMS의 감도는 어떠한가? 어떤 질량 한계를 설정할 수 있는가?
• RQ2 기존의 스쿼크 및 글루아이노 검색 결과를 재해석함으로써, 스칼라 및 벡터 렙토퀀크 쌍 생성에 대한 제약는 어느 정도까지 확장될 수 있는가?
• RQ3 제3세대 렙토퀀크가 ττ 최종 상태로 붕괴하는 경우의 제약는 B-물리학 이상현상들이 선호하는 매개변수 공간과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 τ 및 바텀 쿼크로 붕괴하는 단일 생성 렙토퀀크에 대한 배제 한계는 무엇이며, 이는 요카다 상수 λ를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 여러 최종 상태의 결과를 통합함으로써, 전체적으로 렙토퀀크 모델에 대한 감도는 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• β = 1.0일 때 제2세대 스칼라 렙토퀀크의 질량이 1530 GeV 이하로 95% 신뢰수준에서 배제되며, β = 0.5일 때는 1285 GeV 이하로 배제된다.
• λ = 1 및 β = 1일 때 제3세대 스칼라 렙토퀀크의 질량이 750 GeV 이하로 95% 신뢰수준에서 ττtt 최종 상태 기반으로 배제된다.
• 스쿼크/글루아이노 검색 결과의 재해석을 통해 스칼라 및 벡터 LQ 쌍 생성에 대한 제약가 고질량 영역까지 확장되었으며, 스쿼크와 유사한 수용률을 가진다.
• ττbb 최종 상태 검색은 τ 및 바텀 쿼크로 붕괴하는 LQ에 대한 제약를 설정하며, 1–2 TeV 질량 범위에서 감도를 향상시킨다.
• 모든 채널에서 관측된 데이터는 표준모형 배경과 일치하며, 연구된 LQ 질량 범위 전반에서 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 통합 결과는 스칼라 렙토퀀크의 매개변수 공간을 제약하기 시작하며, 특히 λ ≈ 0.95 ± 0.25 × m_LQ (TeV) 영역에서 B-물리학 이상현상을 설명할 수 있는 모델에 대해 제약한다.