[논문 리뷰] Search for a third-generation leptoquark coupled to a $ au$ lepton and a b quark through single, pair, and nonresonant production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram외 2373명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 141인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CMS에서 13 TeV의 프로톤-프로톤 충돌 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여, τ 렙톤과 b 쿼크에 결합하는 제3세대 렙토퀀드(LQs)를 탐색한다. 단일, 쌍, 비공진 상태의 t-채널 LQ 생성을 조사하였으며, λ = 2.5일 때 2 TeV의 LQ 질량에서 국소적으로 2.8σ의 초과가 관측되었다. 스칼라/벡터 LQ는 결합 상수가 2.5 이하일 경우 1.22–1.88 TeV 이하에서 배제되었으며, 비공진 상태의 한계는 2.3 TeV에 도달하였다.

ABSTRACT

A search is presented for a third-generation leptoquark (LQ) coupled exclusively to a $ au$ lepton and a b quark. The search is based on proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded with the CMS detector, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events with $ au$ leptons and a varying number of jets originating from b quarks are considered, targeting the single and pair production of LQs, as well as nonresonant $t$-channel LQ exchange. An excess is observed in the data with respect to the background expectation in the combined analysis of all search regions. For a benchmark LQ mass of 2 TeV and an LQ-b-$ au$ coupling strength of 2.5, the excess reaches a local significance of up to 2.8 standard deviations. Upper limits at the 95% confidence level are placed on the LQ production cross section in the LQ mass range 0.5-2.3 TeV, and up to 3 TeV for $t$-channel LQ exchange. Leptoquarks are excluded below masses of 1.22-1.88 TeV for different LQ models and varying coupling strengths up to 2.5. The study of nonresonant $ au au$ production through $t$-channel LQ exchange allows lower limits on the LQ mass of up to 2.3 TeV to be obtained.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 프로톤-프로톤 충돌에서 τ 렙톤과 b 쿼크에만 결합하는 제3세대 렙토퀀드(LQs)를 탐색하기 위해.
• 단일, 쌍, 비공진 상태의 t-채널 LQ 생성 메커니즘을 하나의 통합 분석에서 동시에 탐색하기 위해.
• B → Dτν 및 B → D*τν 붕괴에서 관측된 이질현상이 LQ 매개 기여에 의해 해석될 수 있는지 조사하기 위해.
• 다양한 LQ 모델에 대해 LQ 생성 단면적과 질량 임계값에 대한 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정하기 위해.

제안 방법

• √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 수집한 138 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용한다.
• 완전하게 하드론적인 (τhτh), 반유레오크티브한 (eτh, µτh), 완전하게 렙톤적인 (eµ, µµ) τ 렙톤 붕괴 다수의 채널을 분석한다.
• 고속도의 pT를 가진 제트와 b-제트 태깅의 존재 여부에 따라, 공진 상태(단일/쌍)와 비공진 상태(t-채널) 생성을 구분한다.
• 제트가 많은 영역에서의 총 횡방향 운동량 합(H_T)과 제트가 없는 영역에서의 각도 분포를 동시에 피팅하여 신호를 추출한다.
• 입자 흐름 재구성, 딥 뉴럴 네트워크 기반의 τ 및 b-제트 식별, 제트 에너지 보정과 같은 고급 객체 재구성 기법을 적용한다.
• 제트 에너지 스케일, τ 식별, b-태깅 효율성, 루미너시에 대한 체계적 불확실성 보정을 적용하였으며, 표준모형 배경를 통계 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMS 실험은 단일, 쌍, 비공진 상태의 t-채널 생성에서 τ와 b 쿼크로 붕괴하는 제3세대 렙토퀀드에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ2 관측된 데이터는 표준모형 예측을 초월하여 렙토퀀드 신호와 일치하는 유의미한 초과를 보이는가?
• RQ3 다양한 결합 강도를 가진 스칼라 및 벡터 렙토퀀드에 대해 생산 단면적과 배제 질량 임계값에 대해 가장 엄격한 상한은 무엇인가?
• RQ4 비공진 상태의 t-채널 렙토퀀드 교환은 ττ 최종 상태에 어떤 기여를 하는가? 이 채널에서 설정할 수 있는 질량 한계는 무엇인가?
• RQ5 2 TeV의 렙토퀀드 질량에서 관측된 2.8σ의 국소적 초과는 새로운 물리 신호에 기인한 것인지, 배경 변동과 일치하는가?

주요 결과

• 기준 LQ 질량 2 TeV와 결합 강도 λ = 2.5일 때, 통합 분석 영역에서 국소적으로 2.8 표준편차의 초과가 관측되었다.
• 0.5에서 2.3 TeV 사이의 질량 범위에서 LQ 생산 단면적에 대해 95% 신뢰수준에서 상한선이 설정되었으며, 비공진 상태의 t-채널 한계는 3 TeV까지 연장되었다.
• 스칼라 및 벡터 렙토퀀드는 모델에 따라 λ = 2.5 이하일 경우 1.22–1.88 TeV 이하에서 배제되었다.
• t-채널 LQ 교환에 의한 비공진 상태 ττ 생성은 LQ 질량에 대해 최소한 2.3 TeV의 하한선을 설정하였다.
• 이 분석은 이전의 ATLAS 및 CMS 한계를 향상시켰으며, 특히 비공진 상태 생성의 경우 λ = 2.5일 때 벡터 LQ의 배제 영역이 2.05 TeV로 증가하였다.
• 결과는 13 TeV LHC 데이터에서 제3세대 렙토퀀드가 τ 및 b 쿼크에 결합하는 데 대해 현재까지 가장 종합적이고 엄격한 제약 조건을 제공한다.