[논문 리뷰] Search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into third-generation quarks and first- or second-generation leptons in pp collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 확보한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하여, 제3세대 쿼크와 제1 또는 제2세대 렙톤으로 붕괴하는 쌍으로 생성된 스칼라 및 벡터 렙쿼크를 탐색한다. 표준모형과의 뚜렷한 이탈은 관측되지 않았으며, B-이상현상을 설명하기 위해 제안된 두 가지 벡터 렙쿼크 모델에 대해 생산 단면적에 대한 상한과 질량 하한이 각각 1980 GeV 및 1710 GeV으로 설정된다.

ABSTRACT

A search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into quarks and leptons of different generations is presented. It uses the full LHC Run 2 (2015-2018) data set of 139 fb$^{-1}$ collected with the ATLAS detector in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV. Scalar leptoquarks with charge -(1/3)e as well as scalar and vector leptoquarks with charge +(2/3)e are considered. All possible decays of the pair-produced leptoquarks into quarks of the third generation (t, b) and charged or neutral leptons of the first or second generation ($e, \mu, u$) with exactly one electron or muon in the final state are investigated. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section are provided for eight models as a function of the leptoquark mass and the branching ratio of the leptoquark into the charged or neutral lepton. In addition, lower limits on the leptoquark masses are derived for all models across a range of branching ratios. Two of these models have the goal of providing an explanation for the recent B-anomalies. In both models, a vector leptoquark decays into charged and neutral leptons of the second generation with a similar branching fraction. Lower limits of 1980 GeV and 1710 GeV are set on the leptoquark mass for these two models.

연구 동기 및 목표

• 제3세대 쿼크와 제1 또는 제2세대 렙톤에 결합하는 쌍으로 생성된 스칼라 및 벡터 렙쿼크를 탐색하며, B-메손 붕괴에서 관측된 이상현상에 기인한다.
• 렙쿼크가 관측된 B-이상현상과 뮤온 g-2 불일치를 설명할 수 있는 모델을 테스트한다.
• 중간에서 작은 붕괴비 비율 영역에서 민감도를 향상시키기 위해, 고도의 미량 운동량과 다수의 제트를 포함하는 단일 렙톤 최종 상태를 사용한다.
• 여덟 가지 다른 모델에 대해 렙쿼크 생성 단면적에 대한 모델 독립적 상한과 렙쿼크 질량에 대한 하한을 유도한다.

제안 방법

• 분석은 LHC의 런2 데이터에서 확보한 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하며, √s = 13 TeV에서 수집되었다.
• 이벤트 선택 기준은 하나의 전자 또는 뮤온, 높은 미량 운동량, 그리고 히스톤 탑 붕괴에서 유래한 b-제트를 포함하는 최소 4개의 제트를 포함한다.
• 신호와 배경을 분리하기 위해 전용 신경망을 훈련하였으며, 낮은 붕괴비 비율에서의 운동학적 행동이 다르므로 스칼라 및 벡터 렙쿼크 모델에 대해 별도로 훈련하였다.
• 신호 영역은 신경망 출력 기반으로 정의되었으며, 배경 추정의 유효성을 검증하기 위해 제어 영역이 사용되었다.
• 제트 에너지 스케일, 렙톤 재구성, 미량 운동량 등을 포함한 여러 시스템적 불확실성을 평가하였다.
• 통계적 해석은 프로파일-우도비율 검정을 사용하여 단면적에 대한 상한을 설정하고 렙쿼크 질량에 대한 하한을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 139 fb⁻¹의 13 TeV pp 충돌에서 제3세대 쿼크와 제1 또는 제2세대 렙톤으로 붕괴하는 쌍으로 생성된 렙쿼크를 관측할 수 있는가?
• RQ2 관측된 데이터는 B-이상현상과 뮤온 g-2 불일치를 설명할 수 있는 벡터 렙쿼크의 존재를 지지하는가?
• RQ3 다양한 모델과 붕괴비율에 대해 렙쿼크 생성 단면적에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ4 B-이상현상을 설명하고자 하는 모델들에 대해 렙쿼크 질량에 대한 하한은 무엇인가?
• RQ5 고도의 미량 운동량과 단일 렙톤 최종 상태에서 렙쿼크를 배경과 분리하는 데에 신경망이 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 모든 신호 영역에서 표준모형 예측과의 뚜렷한 이탈은 관측되지 않았다.
• 렙쿼크 질량과 렙톤으로의 붕괴비율 함수로서 여덟 가지 다른 모델에 대해 렙쿼크 생성 단면적에 대한 상한이 제시되었다.
• B-이상현상을 설명하기 위해 설계된 두 가지 벡터 렙쿼크 모델에 대해 렙쿼크 질량에 대한 하한이 각각 1980 GeV 및 1710 GeV으로 설정되었다.
• 이전의 이레프톤 최종 상태 탐색에 비해 중간에서 작은 붕괴비율 영역에서 민감도가 향상되었다.
• 결과는 표준모형과 일치하며, B-이상현상과 뮤온 g-2 불일치를 설명하고자 하는 렙쿼크 모델을 제약한다.
• 이 연구는 토프 쿼크 붕괴를 포함하는 단일 렙톤 최종 상태에서 쌍으로 생성된 렙쿼크에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약 조건을 제공한다.