[논문 리뷰] Search for new phenomena with top-quark pairs and large missing transverse momentum using 140 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $pp$ collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

G. Aad|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 확보한 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터 140 fb⁻¹를 사용하여, 큰 미량 운동량을 가진 토크워크 쌍 사건에서 새로운 물리 현상을 탐색한다. 고급 신경망 분류기들을 활용하여, 정지 스쿼크(최대 1230 GeV)와 스핀-0 암흑물질 매개입자(최대 370 GeV)에 대한 새로운 배제 한계를 설정하였으며, 도전적인 질량 차이 영역과 여러 최종 상태에서 감도가 향상되었다. 표준모형 배경에 비해 유의미한 초과는 관측되지 않았다.

ABSTRACT

A search is conducted for new phenomena in events with a top quark pair and large missing transverse momentum, where the top quark pair is reconstructed in final states with one isolated electron or muon and multiple jets. The search is performed using the Large Hadron Collider proton--proton collision data sample at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV recorded by the ATLAS detector that corresponds to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. An analysis based on neural network classifiers is optimised to search for directly produced pairs of supersymmetric partners of the top quark (stop), and to search for spin-0 mediators, produced in association with a pair of top quarks, that decay into dark-matter particles. In the stop search, the analysis is designed to target models in which the mass difference between the stop and the neutralino from the stop decay is close to the top quark mass. This new search is combined with previously published searches in final states with different lepton multiplicities. No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set. Models with neutralinos with masses up to 570 GeV are excluded, while for small neutralino masses models are excluded for stop masses up to 1230 GeV. Scalar (pseudoscalar) dark matter mediator masses as large as 350 (370) GeV are excluded when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both set to one. At lower mediator masses, models with production cross-sections as small as 0.15 (0.16) times the nominal predictions are excluded. Results of this search are also used to set constraints on effective four-fermion contact interactions between top quarks and neutrinos.

연구 동기 및 목표

• 스퍼시미어리즘과 암흑물질 시나리오 등 다양한 모델에서 중요한 서명인 토큐워크 쌍과 큰 미량 운동량을 가진 최종 상태에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위함.
• 정지-중성노 질량 차이가 토큐워크 질량과 가까운 도전적인 영역에서 감도를 향상시키기 위함.
• 일개 레프톤, 레프톤 없음, 두 개 레프톤 최종 상태의 결과를 통합하여 발견 가능성을 향상시키기 위함.
• 효과적 필드 이론(EFT) 접근법을 통해 토큐워크와 뉴트리노 간의 4 Fermion 접촉 상호작용을 제약하기 위함.

제안 방법

• ATLAS 검출기가 확보한 √s = 13 TeV에서의 140 fb⁻¹ 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용.
• 신경망 분류기를 활용하여 강입자 붕괴 토큐워크를 재구성하고 신호와 배경을 구분.
• 이전 검색에서 도전적이었던, 작은 정지-중성노 질량 차이를 가진 정지 쌍 생성를 최적화한 분석을 수행.
• 일개 레프톤, 영 레프톤, 두 레프톤 최종 상태의 결과를 통계적으로 통합하여 감도 향상.
• 신호 감도 향상을 위해 개선된 입자 재구성, 배경 시뮬레이션 및 이벤트 분류 기법을 적용.
• 효과적 필드 이론(EFT) 프레임워크를 적용하여 토큐워크와 뉴트리노 간의 4 Fermion 접촉 상호작용을 제약.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정지-중성노 질량 차이가 토큐워크 질량과 가까운 경우, 정지 스쿼크 쌍 생성에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 스핀-0 매개입자가 암흑물질 입자로 붕괴할 때, 다양한 매개입자 질량 및 결합 강도에 따라 감도는 어떻게 변하는가?
• RQ3 일개 레프톤 최종 상태를 포함함으로써, 다른 레프톤 다중도에 비해 전체 감도가 향상되는가?
• RQ4 이 데이터 세트를 통해 토큐워크와 뉴트리노 간의 효과적 4 Fermion 접촉 상호작용에 대한 제약은 무엇인가?
• RQ5 이 분석 결과는 동일한 최종 상태에서 이전 ATLAS 및 CMS 검색 결과와 비교해 볼 때 어떻게 다를까?

주요 결과

• 표준모형 배경에 비해 유의미한 초과는 데이터에서 관측되지 않았다.
• 작은 중성노 질량을 가진 경우, 95% 신뢰수준에서 최대 1230 GeV의 정지 스쿼크 질량이 배제되었다.
• 정지-중성노 질량 차이가 토큐워크 질량 근처인 모델에서는 최대 570 GeV의 중성노 질량이 배제되었다.
• 결합 강도가 1로 설정된 경우, 스칼라 및 페시오스칼라 암흑물질 매개입자 질량은 각각 최대 350 GeV와 370 GeV까지 배제되었다.
• 낮은 매개입자 질량에서 명시된 예측값의 0.15~0.16배 수준의 생성 단면적을 가지는 모델도 배제되었다.
• 이 데이터를 통해 토큐워크와 뉴트리노 간의 효과적 4 Fermion 접촉 상호작용에 대한 제약가 설정되었으며, 이는 이전 EFT 분석의 한계를 향상시켰다.