[논문 리뷰] Search for heavy resonances and quantum black holes in e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2355명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 LHC의 CMS 실험에서 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여 고질량 렙톤 편미분 위반(LFV) 붕괴, 즉 eµ, eτ, µτ 최종 상태에서의 무거운 공명 및 양자 블랙홀을 탐색한다. 표준모형과의 明백한 이심은 관측되지 않았으며, 이에 따라 현재까지 가장 엄격한 배제 한계를 도출하였다: 공명성 τ 스넬루티노는 4.2 TeV까지, Z′ 보손은 5.0 TeV까지, 그리고 양자 블랙홀은 eµ 채널에서 5.6 TeV까지 배제되었으며, 다른 채널에서도 유사한 한계가 적용된다.

ABSTRACT

A search is reported for heavy resonances and quantum black holes decaying into e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ final states in proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC during 2016-2018 at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ invariant mass spectra are reconstructed, and no evidence is found for physics beyond the standard model. Upper limits are set at 95% confidence level on the product of the cross section and branching fraction for lepton flavor violating signals. Three benchmark signals are studied: resonant $ au$ sneutrino production in $R$ parity violating supersymmetric models, heavy Z' gauge bosons with lepton flavor violating decays, and nonresonant quantum black hole production in models with extra spatial dimensions. Resonant $ au$ sneutrinos are excluded for masses up to 4.2 TeV in the e$\mu$ channel, 3.7 TeV in the e$ au$ channel, and 3.6 TeV in the $\mu au$ channel. A Z' boson with lepton flavor violating couplings is excluded up to a mass of 5.0 TeV in the e$\mu$ channel, up to 4.3 TeV in the e$ au$ channel, and up to 4.1 TeV in the $\mu au$ channel. Quantum black holes in the benchmark model are excluded up to the threshold mass of 5.6 TeV in the e$\mu$ channel, 5.2 TeV in the e$ au$ channel, and 5.0 TeV in the $\mu au$ channel. In addition, model-independent limits are extracted to allow comparisons with other models for the same final states and similar event selection requirements. The results of these searches provide the most stringent limits available from collider experiments for heavy particles that undergo lepton flavor violating decays.

연구 동기 및 목표

• 고질량 eµ, eτ, µτ 최종 상태에서의 렙톤 편미분 위반 붕괴를 통해 표준모형을 초월한 물리학을 탐색하기 위해.
• R-대칭 위반 초대칭, 무거운 Z′ 게이지 보손, 그리고 추가 차원에서의 양자 블랙홀을 포함한 핵심 이론 모델을 테스트하기 위해.
• 전체 런 2 LHC 데이터셋을 사용하여 모델 독립적 및 벤치마크 기반 배제 한계를 설정하기 위해.
• √s = 13 TeV에서 수집된 전체 138 fb⁻¹의 통합 루미노시티를 활용하여 감도를 향상시키기 위해.
• 고질량 공명 및 양자 블랙홀의 LFV 붕괴에 대해 현재까지 가장 엄격한 충돌기반 제약 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터로부터 eµ, eτ, µτ 최종 상태의 불변 질량 스펙트럼을 재구성하기 위해.
• 표준모형 배경를 억제하기 위해 엄격한 이벤트 선택 기준을 적용하였으며, 렙톤 고립도, 운동학적 조건, 그리고 부족한 횡방향 운동량 요구 조건 포함.
• 신호 및 배경 과정을 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였으며, 신호 생성은 CalcHEP를 통해, 파arton 쇼어 매칭은 POWHEG와 PYTHIA를 통해 수행.
• 주요 표준모형 배경(예: Drell-Yan, 톰 쿼크 쌍, 이보손)은 데이터 기반 방법과 시뮬레이션을 통해 추정.
• 검출기 해상도, 에너지 스케일, 렙톤 식별 효율성 등을 포함한 체계적 불확실성 보정을 신호 및 배경 추정에 적용.
• 프로파일-우도 비율 방법을 사용하여 통계적 가설 검정을 수행하고, 횡단면 곱하기 분해비율에 대한 95% 신뢰수준 상한을 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 고질량 eµ, eτ, µτ 최종 상태로 붕괴하는 무거운 공명의 생산에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계는 무엇인가요?
• RQ2 현재 LHC 데이터로는 R-대칭 위반 초대칭에서 τ 스넬루티노 생성을 얼마나까지 배제할 수 있나요?
• RQ3 95% 신뢰수준에서 렙톤 편미분 위반 쿠퍼링을 갖는 Z′ 보손의 최대 질량은 얼마까지 배제될 수 있나요?
• RQ4 추가 차원을 가진 모델에서의 양자 블랙홀 생산 횡단면은 관측된 데이터와 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ5 유사한 운동학적 조건과 선택 기준을 갖는 신물리 현상 시나리오에 적용 가능한 모델 독립적 배제 한계는 무엇인가요?

주요 결과

• eµ, eτ, µτ 불변 질량 스펙트럼에서 명백한 초과는 관측되지 않았으며, 이는 이러한 최종 상태에서 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 증거가 없음을 시사한다.
• 95% 신뢰수준에서 공명성 τ 스넬루티노는 eµ 채널에서 4.2 TeV까지, eτ 채널에서 3.7 TeV까지, µτ 채널에서 3.6 TeV까지 배제된다.
• 렙톤 편미분 위반 결합을 갖는 Z′ 보손은 eµ 채널에서 5.0 TeV까지, eτ 채널에서 4.3 TeV까지, µτ 채널에서 4.1 TeV까지 배제된다.
• 벤치마크 모델에서의 양자 블랙홀은 eµ 채널에서 임계 질량 5.6 TeV까지, eτ 채널에서 5.2 TeV까지, µτ 채널에서 5.0 TeV까지 배제된다.
• 이 분석은 고질량 이렙톤 최종 상태에서의 LFV 붕괴에 대해 횡단면과 분해비율의 곱에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정하였다.
• 모델 독립적 상한은 다른 이론 모델 및 유사한 운동학적 조건과 선택 기준을 갖는 실험적 탐색과의 직접 비교를 가능하게 하였다.