[논문 리뷰] Search for central exclusive production of top quark pairs in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with tagged protons

CMS, TOTEM Collaborations외 2456명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 85인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 중심 배제(top quark pair) 생성을 위한 최초의 탐색을 보고한다. CMS 중심 검출기에서 토크 쿼크를 재구성하고, CMS-TOTEM 정밀도 양성자 스펙트로미터를 사용하여 그대로 유지된 양성자를 탐지함으로써, 분석은 95% 신뢰수준에서 0.59 pb의 단면적 상한선을 설정하였다. 이는 표준모형 예측과 일치하며, 비정상적인 상호작용이나 효과적 양자장 이론을 통한 새로운 물리 현상에 민감하게 반응한다.

ABSTRACT

A search for the central exclusive production of top quark-antiquark pairs ($\mathrm{t\bar{t}}$) is performed for the first time using proton-tagged events in proton-proton collisions at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data correspond to an integrated luminosity of 29.4 fb$^{-1}$. The $\mathrm{t\bar{t}}$ decay products are reconstructed using the central CMS detector, while forward protons are measured in the CMS-TOTEM precision proton spectrometer. An observed (expected) upper bound on the production cross section of 0.59 (1.14) pb is set at 95% confidence level, for collisions of protons with fractional momentum losses between 2 and 20%.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 중심 배제 과정을 통한 토크 쿼크 쌍 생성을 탐색하기 위해.
• 중심 배제 tt̄ 생성에서 주요 기여로 여겨지는 γγ 융합 메커니즘을 탐색하기 위해.
• 중심 배제 토크 쿼크 쌍 생성에 대한 단면적에 대해 새로운 실험적 한계를 설정하기 위해.
• 표준모형을 초월한 물리 현상, 예를 들어 비정상적인 tγγ 상호작용이나 추가 차원에 대한 민감도를 시험하기 위해.
• 현재 LHC 루미너스 수준에서 희귀 배제 과정을 관찰할 수 있도록, CMS-TOTEM 정밀도 양성자 스펙트로미터를 사용한 전방 양성자 탐지의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이중 렙톤 및 렙톤+jets 최종 상태에 중점을 두어 CMS 중심 검출기를 사용하여 토크 쿼크 붕괴를 재구성하기 위해.
• CMS-TOTEM 정밀도 양성자 스펙트로미터(CT-PPS)를 사용하여 2%에서 20% 사이의 분수적 운동량 손실을 보이는 그대로 유지된 양성자를 탐지하기 위해.
• 중앙 검출기에서 토크 쿼크 붕괴 서명과 함께 두 개의 전방 양성자를 갖는 사건을 식별하기 위해 사례 선택 기준을 적용하기 위해.
• NLO QCD 보정을 포함한 신호 및 배경 과정에 대한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하기 위해.
• 입자 흐름 재구성 및 제트 클러스터링 알고리즘을 사용하여 피킹업(중복 처리) 완화 및 제트 에너지 스케일 보정을 수행하기 위해.
• 95% 신뢰수준에서 단면적 상한선을 설정하기 위해 프로파일-가능도 최적화를 사용한 통계 모델링 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 중심 배제 토크 쿼크 쌍 생성에 대한 단면적 상한선은 얼마인가요?
• RQ2 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대해 γγ 융합 메커니즘이 토크 쿼크 쌍 생성에서 얼마나 민감한가요?
• RQ3 CT-PPS를 사용한 전방 양성자 탐지가 현재 LHC 루미너스 수준에서 희귀 배제 과정인 tt̄ 생성의 관측을 가능하게 할 수 있나요?
• RQ4 QED 및 QCD 도형은 중심 배제 tt̄ 생성에 어떤 기여를 하는가? 그리고 가용 단계 공간에서 어느 것이 지배적인가요?
• RQ5 검출기 재구성 및 시뮬레이션의 체계적 불확실성은 최종 단면적 상한선에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• 관측된 중심 배제 tt̄ 생성 단면적에 대한 95% 신뢰수준 상한선은 0.59 pb이다.
• 표준모형 배경만 존재하는 가정 하에서 예상되는 상한선은 1.14 pb이며, 이는 중간 수준의 통계적 민감도를 나타낸다.
• 2%에서 20% 사이의 양성자 분수적 운동량 손실에 대해 단면적 상한선을 설정하였으며, 이는 γγ 융합 지배성과 관련이 있다.
• 결과는 γγ → tt̄에 대해 표준모형 예측인 0.22 ± 0.05 fb와 일치하지만, 아직 신호를 관측할 수 있을 정도로 민감하지 않다.
• 이 연구는 LHC에서 중심 배제 토크 쿼크 쌍 생성을 탐색하기 위해 전방 양성자 탐지를 활용하는 것이 가능함을 보여준다.
• 이 방법은 비정상적인 tγγ 상호작용 및 토크 쿼크-광자 상호작용을 포함하는 효과적 양자장 이론 모델에 대한 민감한 탐색 수단을 제공한다.