[논문 리뷰] Overview of the vector-like quark searches with the LHC data collected by the ATLAS detector

J. P. Araque|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 1 및 2의 ATLAS 데이터를 이용한 벡터-형상 쿼크(VLQ) 탐색에 대한 종합적인 개요를 제시한다. 8 TeV 및 13 TeV 중심질량 에너지에서 쌍 생성 및 단일 생성을 중심으로 다룬다. T 쿼크의 경우 최대 1.6 TeV, Y 쿼크의 경우 최대 1.44 TeV까지 관측된 질량 배제 한계를 보고하며, Wq, Zq, Hq 등 다양한 붕괴 채널에 대한 민감도를 확보하여 표준모형을 초월하는 새로운 물리학에 대한 제약 조건을 크게 향상시켰다.

ABSTRACT

In 2012 the discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS collaborations set a milestone in particle physics by finding the missing piece of the Standard Model. Nonetheless some questions are still open: the origin of the mass of the neutrino and finding the missing candidate for dark matter are some examples. One of the main issues with the Standard Model is the hierarchy problem which appears when trying to go to high energy scales at which the theory cannot accommodate corrections large enough to explain the observed nature. Vector-like quarks appear naturally in some non-supersymmetric models which try to find a solution for this issue. The different searches for vector-like quarks within the ATLAS Collaboration using data collected at a centre-of-mass energy of 8 and 13~TeV with integrated luminosities of $20.3 m{~fb^{-1}}$ (8~TeV) and $3.2 m{~fb^{-1}}$ and $14.7 m{~fb^{-1}}$ (13~TeV) are discussed.

연구 동기 및 목표

• 비초구대칭 모델에서 계층 문제를 해결하기 위한 벡터-형상 쿼크(VLQ) 탐색.
• 고에너지 LHC 충돌에서 쌍 생성 및 단일 생성 메커니즘을 통해 VLQ 탐색.
• W, Z, 힉스 보손이 제트, 렙톤, 그리고 부족한 횡방향 운동량으로 붕괴하는 최종 상태를 이용하여 VLQ 질량과 결합 상수 제약.
• 다양한 붕괴 채널(Wq, Zq, Hq)과 최종 상태 토폴로지(렙톤+제트, 다중렙톤, 동일 전하 렙톤)를 대상으로 민감도 향상.
• 13 TeV 신규 데이터를 활용해 런-1 결과를 업데이트하고, 95% 신뢰수준에서 향상된 배제 한계 확보.

제안 방법

• 최종 상태에 렙톤, 제트, 부족한 횡방향 운동량이 포함된 경우 신호와 배경을 구분하기 위해 다변량 분석 기법 활용.
• 민감도 향상을 위해 Wb+X 및 Ht+X 분석에서 정규직교 신호 영역(예: 부스트 및 해상도 기반) 정의.
• 제트 및 b-제트 다중도, 렙톤의 성분, 전하, 횡방향 운동량 기반의 이벤트 선택 기준을 설정하여 VLQ 붕괴 분리.
• 95% 신뢰수준에서 횡단면 곱하기 분지비 및 혼합 각도에 대한 상한선 설정을 위한 통계적 방법 적용.
• 단일 렙톤, 영 렙톤, 동일 전하 렙톤 등 다양한 최종 상태 결과를 통합하여 전체 민감도 향상.
• 발견 가능성 향상을 위해 20.3 fb⁻¹(8 TeV) 및 최대 14.7 fb⁻¹(13 TeV)의 통합 루미노시티 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV LHC 데이터에서 벡터-형상 쿼크에 대한 가장 엄격한 질량 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 다양한 최종 상태(예: 렙톤+제트, 다중렙톤, 동일 전하 렙톤)가 다양한 VLQ 붕괴 채널에서 민감도에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 영 렙톤 및 동일 전하 렙톤 최종 상태를 포함함으로써 단일 렙톤 채널 대비 민감도 향상 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 벡터-형상 쿼크와 제3세대 쿼크 간 혼합 각도 |sinθ|에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 고질량에서 무거운 벡터-형상 쿼크를 탐색할 때 단일 생성 메커니즘과 쌍 생성 메커니즘이 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 13 TeV에서 13.2 fb⁻¹ 데이터를 사용한 Ht+X 분석에서 BR(T→Ht) = 100% 조건 하에 T 쿼크 질량은 최대 1.6 TeV까지 배제.
• Zt+X 단일 렙톤 분석에서 BR(T→Zt) = 100% 조건 하에 T 쿼크 질량은 최대 1.14 TeV까지 배제.
• Wb+X 분석에서 BR(T→Wb) = 100% 조건 하에 T 쿼크 질량은 최대 1.1 TeV까지 배제.
• 동일 전하 렙톤(SS) 분석에서 BR = 100% 조건 하에 T, B, Y 쿼크 질량은 각각 최대 0.78 TeV, 0.83 TeV, 0.99 TeV까지 배제.
• 13 TeV에서 3.2 fb⁻¹ 데이터를 사용한 단일 생성 분석에서 Y 쿼크 질량은 최대 1.44 TeV까지 배제.
• T 쿼크 싱게트에 대한 |sinθ| 상한선은 질량과 채널에 따라 0.3에서 0.7까지 다양하게 도출됨.