[논문 리뷰] Search for new physics in tt+MET --> bbqqqq+MET final state in ppbar collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV

T. Aaltonen|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 √s = 1.96 TeV에서의 양성자-반양성자 충돌에서 제4세대의 이색 쿼크 T'가 토프 쿼크와 눈에 띄지 않는 암흑물질 유사 입자 X로 붕괴하는 것을 탐색한다. CDF II에서 확보한 5.7 fb⁻¹의 데이터를 사용하여, m_X < 70 GeV/c²일 경우 m_T' = 400 GeV/c² 이하에서 T'T' 쌍 생성에 대해 95% 신뢰수준 배제 한계를 설정하였으며, 데이터는 표준모형과 일치한다.

ABSTRACT

We present a search for a new particle T' decaying to a top quark via T' -> t + X, where X goes undetected. We use a data sample corresponding to 5.7 fb-1 of integrated luminosity of ppbar collisions with sqrt{s} = 1.96 TeV, collected at Fermilab by the CDF II detector. Our search for pair production of T' is focused on the hadronic decay channel, ppbar -> T'T' -> tt +XX -> bbqqqq + XX. We interpret our results in terms of a model where T' is an exotic fourth generation quark and X is a dark matter candidate. The data are consistent with standard model expectations. We set a limit on the generic production of T'T'->tt+XX, excluding the fourth generation exotic quarks T' at 95% confidence level up to m_T' = 400 GeV/c2 for m_X < 70 GeV/c2.

연구 동기 및 목표

• T'가 토프 쿼크와 눈에 띄지 않는 입자 X로 붕괴하는 제4세대 이색 쿼크 T'의 증거를 탐색하는 것.
• T'가 무거운 쿼크이고 X가 암흑물질 후보인 모델을 검증하는 것.
• T'T' 쌍 생성의 생산 단면적을 강입자 붕괴 채널 tt → bbqqqq + XX를 통해 제약하는 것.
• 다양한 암흑물질 후보 질량에 대해 T'의 질량에 대한 배제 한계를 설정하는 것.

제안 방법

• CDF II 검출기에서 수집한 총 5.7 fb⁻¹의 통합 루미너시를 활용하여 √s = 1.96 TeV에서의 양성자-반양성자 충돌을 분석하는 것.
• 두 개의 b-제트와 네 개의 경량 쿼크(bbqqqq) plus 미량의 횡방향 에너지(MET)를 포함한 최종 상태에 초점을 맞추며, 검출되지 않은 입자를 나타낸다.
• 운동학적 재구성 기법을 사용하여 토프 쿼크 붕괴를 식별하고 신호와 표준모형 배경을 구분하는 것.
• 다변량 분석 기법을 적용하여 배경 기여에 비해 T'T' 신호에 대한 감도를 향상시키는 것.
• 관측된 사건 수를 표준모형 예측과 비교하여 T'T' 생성에 대한 상한선을 설정하는 것.
• 눈에 띄지 않는 입자 X의 질량 m_X에 따라 95% 신뢰수준에서 m_T'에 대한 배제 한계를 유도하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 데이터는 토프 쿼크와 눈에 띄지 않는 입자로 붕괴하는 쌍 생성된 제4세대 이색 쿼크 T'에 대한 증거를 보여주는가?
• RQ2 다양한 눈에 띄지 않는 X 입자의 질량에 대해, 95% 신뢰수준에서 배제할 수 있는 T'의 최대 질량은 얼마인가?
• RQ3 T'T' 생성의 맥락에서 최종 상태 bbqqqq + MET는 표준모형 배경과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 데이터는 제4세대 쿼크가 장수하거나 눈에 띄지 않는 붕괴 모드를 가질 가능성에 대해 어느 정도 지지를 하는가?

주요 결과

• 관측된 데이터는 표준모형 예측과 일치하며, 예측된 배경을 초과하는 유의미한 초과가 없음을 보여준다.
• T'T' 쌍 생성에 대해 95% 신뢰수준 배제 한계가 설정되었다. 여기서 T'는 토프 쿼크와 눈에 띄지 않는 입자 X로 붕괴한다.
• 눈에 띄지 않는 입자 X의 질량이 70 GeV/c² 이하일 경우, T' 질량은 400 GeV/c² 이하까지 배제된다.
• 이 한계는 두 개의 b-제트, 네 개의 경량 쿼크, 그리고 미량의 횡방향 에너지를 포함한 최종 상태에서 유도되었으며, 눈에 띄지 않는 붕괴 제품을 동반한 토프 쿼크 붕괴의 특징을 띤다.
• 이 분석은 고에너지 양성자-반양성자 충돌 환경에서 눈에 띄지 않는 붕괴 모드를 가진 이색 제4세대 쿼크에 대한 감도를 보여준다.