[논문 리뷰] Search for pair-produced vector-like leptons in final states with third-generation leptons and at least three b quark jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, W. Erdmann외 2369명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 65인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CMS 검출기로 13 TeV에서의 96.5 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 4321 모델에서 벡터 보유 렙톤(VLL)에 대한 최초의 탐색을 수행한다. 분석은 최소 3개의 b-타그된 제트와 두 개의 제3세대 렙톤(τ, ντ, 또는 ℓτ)을 포함하는 최종 상태를 대상으로 하며, 600 GeV의 VLL 질량에서 신호에 대한 2.8σ의 선호도를 보이며, 관측된 상한선은 기대되는 상한선의 약 두 배로, 局부 초과(local excess)로 인해 발생한다.

ABSTRACT

The first search is presented for vector-like leptons (VLLs) in the context of the '4321 model', an ultraviolet-complete model with the potential to explain existing B physics measurements that are in tension with standard model predictions. The analyzed data, corresponding to an integrated luminosity of 96.5 fb$^{-1}$, were recorded in 2017 and 2018 with the CMS detector at the LHC in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ =13 TeV. Final states with ${\geq}$3 b-tagged jets and two third-generation leptons ($ au au$, $ au u_ au$, or $ u_ au u_ au$) are considered. Upper limits are derived on the VLL production cross section in the VLL mass range 500-1050 GeV. The maximum likelihood fit prefers the presence of signal at the level of 2.8 standard deviations, for a representative VLL mass point of 600 GeV. As a consequence, the observed upper limits are approximately double the expected limits.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 우주론적 완전한 확장인 4321 모델의 맥락에서 쌍생성된 벡터 보유 렙톤(VLL)을 탐색하는 것.
• 레프토퀀을 포함하지 않는 모델에서 다루지 않는, 최소 3개의 b-타그된 제트와 두 개의 제3세대 렙톤(ττ, τντ, 또는 ντντ)을 포함하는 최종 상태를 탐색하는 것.
• 전자약력 생산과 벡터 렙토퀀을 통한 붕괴를 고려하여 질량 범위 500–1050 GeV에서 VLL 생성 단면적에 대한 상한선을 유도하는 것.
• R(D) 및 R(D*) 측정치에서의 갈등을 고려할 때, 관측된 데이터가 신호 존재와 호환되는지 평가하는 것.

제안 방법

• 분석은 2017년과 2018년에 CMS 검출기가 수집한 13 TeV에서의 96.5 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 고 b-제트 다중도(≥3개의 b-타그된 제트)와 두 개의 제3세대 렙톤(τ, ντ, 또는 ℓτ)을 포함하는 최종 상태를 기반으로 선별되며, 주로 전부 하드론적 위상도를 중심으로 한다.
• 이벤트 샘플은 τ 렙톤 다중도(0, 1, 또는 2개의 τ 렙톤)에 따라 신호 영역(SR)과 제어 영역(CR)으로 나뉜다. 각 범주에 맞는 전용 선별 조건이 적용된다.
• 모든 τ 다중도 범주(신호 영역과 제어 영역 포함)에서 동시에 최대우도 추정을 수행하여 신호 강도를 추출하고 VLL 생성 단면적에 대한 상한선을 설정한다.
• 배경 기여는 톰 쿼크 쌍 생성, Drell-Yan, 다중제트 과정을 포함하며, 시뮬레이션과 데이터 기반 방법을 사용하여 배경를 모델링한다.
• 4321 모델은 VLL가 벡터 렙토퀸을 통해 제3세대 페르미온으로 붕괴한다고 예측하며, 주요 붕괴 모드는 b quark와 τ 렙톤 또는 중성미온으로의 붕괴이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 3개의 b-타그된 제트와 두 개의 제3세대 렙톤을 포함하는 최종 상태에서 관측된 데이터는 4321 모델에서 쌍생성된 VLL에 대한 증거를 보여주는가?
• RQ2 질량이 500에서 1050 GeV 사이일 경우, 데이터 기반으로 VLL 생성 단면적에 대한 상한선는 무엇인가?
• RQ3 표준모형 배경 예측에서의 명백한 편차가 있으며, 이는 신호 존재를 시사하는가?
• RQ4 관측된 상한선와 기대되는 상한선의 비교는 잠재적 신호의 의미에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 최대우도 추정에서 600 GeV의 대표적 VLL 질량에서 2.8σ의 신호 선호도가 나타나, 데이터에 局부 초과가 있음을 시사한다.
• 관측된 VLL 생성 단면적 상한선는 기대되는 상한선의 약 두 배이며, 배경만 존재하는 가정과의 갈등을 암시한다.
• 질량 범위 500–1050 GeV에서 VLL 생성 단면적에 대한 상한선를 설정하였으며, 600 GeV 질량에서 관측된 상한선는 기대되는 상한선의 두 배 이상이다.
• 두 개의 τ 렙톤과 네 개의 b 제트를 포함하는 신호 영역에서 중간 정도의 초과가 관측되어 전체 신호 선호도에 기여한다.
• Z′ 보손 기여를 포함해도 결과는 강인하며, 다양한 생성 모드에서 기대되는 신호 강도는 일관된다.
• 이 연구는 4321 모델에서 VLL에 대한 최초의 직접 탐색을 제공하며, B 이상현상들을 설명하는 Pati–Salam 렙토퀸을 포함하는 다른 모델에도 관련성이 있을 것으로 기대된다.