[논문 리뷰] Search for charged lepton-flavour violation in top-quark decays at the LHC with the ATLAS detector

C. A. Gottardo|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 LHC의 LHC에서 측정한 √s = 13 TeV에서의 79.8 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 탑 쿼크 붕괴에서 전하 렙톤- flavour 위반(cLFV)을 직접 탐색한다. 세 개의 충전 렙톤, 경량 제트, b-제트를 포함하는 사건에 대해 다변량 강화 결정 트리 분석을 수행하여, 95% 신뢰 수준에서 $`\mathcal{B}(t\to\ell\ell^{\prime}q) < 1.86 \times 10^{-5}$의 상한을 설정하였으며, 이는 지금까지 가장 민감한 직접 탐색 결과이다.

ABSTRACT

A direct search for charged lepton-flavour violation in top-quark decays is presented. The data analysed correspond to $79.8\ ext{fb}^{-1}$ of proton--proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\ ext{TeV}$ recorded by the ATLAS experiment at the LHC. The process studied is the production of top-quark pairs, where one top quark decays into a pair of opposite-sign different-flavour charged leptons and an up-type quark, while the other decays semileptonically according to the Standard Model. The signature of the signal is thus characterised by the presence of three charged leptons, a light jet and a $b$-jet. A multivariate discriminant is deployed and its distribution used as input to extract the signal strength. In the absence of a signal, an upper limit on the branching ratio of ${\cal B}(t o \ell \ell' q) &lt; 1.86 imes 10^{-5}$ is set at the 95\% confidence level.

연구 동기 및 목표

• 표준 모델을 초월한 새로운 물리학의 징후인 탑 쿼크 붕괴에서의 전하 렙톤- flavour 위반(cLFV)을 탐색하기 위해.
• 세 개의 충전 렙톤, 경량 제트, b-제트를 포함하는 최종 상태를 포함한 탑 쿼크 붕괴에서의 cLFV를 탐색하기 위해.
• LHC의 13 TeV 운행 동안의 데이터를 사용하여 $t \to \ell\ell'q$의 분해율에 대한 직접 실험적 상한을 설정하기 위해.
• 비프롬프트 렙톤 배경을 데이터 기반 방법으로 모델링하여 cLFV에 대한 감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 분석은 ATLAS 검출기에서 측정한 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 79.8 fb⁻¹의 $pp$ 충돌 데이터를 사용한다.
• 신호 사건은 세 개의 재구성된 충전 렙톤(전자 또는 뮤온), 최소 두 개의 제트, 정확히 한 개의 $b$-태그된 제트로 선택되며, 최소 한 개의 전자와 한 개의 뮤온이 포함되어야 한다.
• 신호를 배경과 구분하기 위해 13개의 입력 변수를 사용하여 다변량 강화 결정 트리(BDT) 판별기를 학습시켰으며, 시뮬레이션된 사건을 사용한다.
• 배경는 프롬프트 렙톤 사건의 시뮬레이션과 $b$- 및 $c$-하드론 붕괴에서 유래한 비프롬프트 렙톤에 대한 데이터 기반 방법의 조합으로 모델링된다.
• 비프롬프트 렙톤 배경과 시뮬레이션 샘플에 대해 체계적 불확실성을 할당하였으며, 후자가 주요 불확실성 원천이다.
• 95% 신뢰 수준에서 신호 강도에 대한 상한을 설정하기 위해 CL$_s$ 방법을 사용한 빈도수 프로파일 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 데이터로 제약된 탑 쿼크 붕괴 $t \to \ell\ell'q$의 분해율에 대한 상한은 무엇인가요?
• RQ2 현재 광량과 검출기 성능를 고려할 때, ATLAS 실험은 탑 쿼크 붕괴에서 cLFV에 대해 얼마나 민감합니까?
• RQ3 $b$- 및 $c$-하드론 붕괴에서 기인한 비프롬프트 렙톤은 신호 영역의 배경에 얼마나 기여합니까?
• RQ4 cLFV 붕괴 중심에서 $\tau$ 렙톤을 포함하거나 배제할 경우 검색의 민감도에 어떤 영향을 미칩니까?
• RQ5 특히 비프롬프트 렙톤 모델링에 기인한 체계적 불확실성은 최종 상한에 어떤 영향을 미칩니까?

주요 결과

• 관측된 $t \to \ell\ell'q$의 분해율에 대한 상한은 95% 신뢰 수준에서 $1.86 \times 10^{-5}$이다.
• 기대되는 상한은 $1.36^{+0.61}_{-0.37} \times 10^{-5}$이며, 관측된 상한과 일치한다.
• 만약 $\tau$ 렙톤이 cLFV 붕괴 중심에서 제외된다면, 관측된 상한은 $e\mu q$ 최종 상태에서 $6.6 \times 10^{-6}$로 더욱 강화된다.
• $\tau$ 렙톤을 포함하지 않은 $e\mu q$ 최종 상태의 기대 상한은 $4.8^{+2.1}_{-1.4} \times 10^{-6}$이며, 민감도 향상을 시사한다.
• 비프롬프트 렙톤 배경은 크게 기여하며, 총 배경 수확에 10%의 불확실성을, 관측된 상한에 9%의 영향을 미친다.
• BDT 판별기는 효과적으로 신호를 배경과 분리하였으며, 신호 영역의 데이터는 표준 모델 예측과 일치한다.