[논문 리뷰] Search for pair-produced vector-like top and bottom partners in events with large missing transverse momentum in pp collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration, Aad, Georges외 2954명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 데이터 139 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 proton–proton 충돌에서 쌍으로 생성된 벡터-형상 토프(이하 T) 및 바텀(이하 B) 쿼크의 탐색을 제시한다. 하나의 레프톤, 큰 미소전하 운동량, 그리고 최소 네 개의 제트(그 중 하나는 b-태그됨)를 포함하는 최종 상태에서 다변량 신경망 분석을 수행한 결과, 표준모형과의 뚜렷한 이탈은 관측되지 않았으며, 이에 따라 질량이 동일한 T와 B 쿼크에 대해 95% 신뢰수준에서의 하한값은 1.59 TeV, 독립적인 T→Zt (B→Wt) 붕괴에 대해서는 각각 1.47 TeV(1.46 TeV)의 하한값이 도출되었다.

ABSTRACT

A search for pair-produced vector-like quarks using events with exactly one lepton ($e$ or $\mu$), at least four jets including at least one $b$-tagged jet, and large missing transverse momentum is presented. Data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV, recorded by the ATLAS detector at the LHC from 2015 to 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$, are analysed. Vector-like partners $T$ and $B$ of the top and bottom quarks are considered, as is a vector-like $X$ with charge +5/3, assuming their decay into a $W$, $Z$, or Higgs boson and a third-generation quark. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section of $T$ and $B$ quark pairs as a function of their mass are derived for various decay branching ratio scenarios. The strongest lower limits on the masses are 1.59 TeV assuming mass-degenerate VLQs and branching ratios corresponding to the weak-isospin doublet model, and 1.47 TeV (1.46 TeV) for exclusive $T ightarrow Zt$ ($B/X ightarrow Wt$) decays. In addition, lower limits on the $T$ and $B$ quark masses are derived for all possible branching ratios.

연구 동기 및 목표

• 대량의 미소전하 운동량, 하나의 레프톤, 다수의 제트를 포함하는 최종 상태에서 쌍으로 생성된 벡터-형상 토프 및 바텀 쿼크(T 및 B)의 탐색.
• 특히 히에라치 문제를 벡터-형상 쿼크를 통해 해결하는 모델에서 새로운 물리학의 존재를 탐색.
• 간단한 컷-앤드-카운트 방법 대신 다변량 신경망 기법을 사용하여 이전 탐색에 비해 민감도 향상.
• 다양한 붕괴 시나리오에서 T 및 B 쿼크에 대해 모델 독립적 및 붕괴 비율에 의존하는 질량 한계 유도.

제안 방법

• 이 분석은 런 2(2015–2018) 기간 동안 ATLAS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 139 fb⁻¹를 사용한다.
• 정확히 하나의 전자 또는 뮤온, 큰 미소전하 운동량, 그리고 최소 네 개의 제트(그 중 하나는 b-태그됨)를 포함하는 이벤트를 선별한다.
• T 및 B 쿼크의 Zt, Ht, Wb, Wt(또는 X 쿼크의 경우) 붕괴에 대해 신호 시뮬레이션을 기반으로 한 신경망을 동일한 학습 영역에서 훈련한다.
• 신호 영역은 높은 신경망 출력을 가진 이벤트를 선택하고, 제어 영역은 학습 영역 및 신호 영역과 수직이 되도록 정의하여 배경를 제약한다.
• 제트 에너지 스케일, 레프톤 및 b-태그 효율성, 루미너시 등 시스템적 불확실성을 평가하고 통계 모델에 포함시킨다.
• 제어 영역 및 신호 영역을 동시에 피팅하여 신호 횡단단면의 상한을 추출하고 T 및 B 쿼크 질량의 하한을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 쌍 생성된 경우, 다양한 붕괴 분포비에 따라 벡터-형상 토프 및 바텀 쿼크의 질량 하한은 무엇인가?
• RQ2 이 최종 상태에서 전통적인 컷-베이스드 분석 대비 다변량 신경망 기법의 사용이 민감도 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 특히 T→Zt 및 B→Wt 붕괴 모드에서 약이소스피너의 단일체 및 이중체 모델의 맥락에서 벡터-형상 쿼크에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 더 높은 통합 루미너시와 향상된 분석 기법을 고려할 때 이 결과는 이전 탐색과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 모든 가능한 붕괴 비율 조합에 대해 T 및 B 쿼크에 대해 모델 독립적인 질량 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 모든 신호 영역에서 표준모형 배경에 비해 뚜렷한 초과는 관측되지 않아, 벡터-형상 토프 또는 바텀 쿼크 쌍 생성에 대한 증거 없음.
• T 및 B 쿼크 질량에 대한 가장 강력한 하한은 질량이 동일한 벡터-형상 쿼크이며, 약이소스피너 이중체 모델에 해당하는 붕괴 비율을 가정할 경우 1.59 TeV이다.
• 독립적인 붕괴의 경우, T→Zt에 대해 1.47 TeV, B→Wt에 대해 1.46 TeV의 하한이 도출되었으며, 후자는 동일한 붕괴 모드를 가지는 벡터-형상 X 쿼크에 대한 제약도 포함한다.
• 모든 가능한 붕괴 비율 조합에 대해 모델 독립 한계를 도출하여 다양한 붕괴 시나리오에서 강력한 민감도를 확보하였다.
• 다변량 접근법과 더 높은 루미너시를 사용함으로써 이전 ATLAS 탐색에 비해 향상되었으며, 이전 36 fb⁻¹ 데이터셋에 비해 더 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 결과는 표준모형과 일치하며, 이 최종 상태에서의 벡터-형상 쿼크 쌍 생성에 대해 지금까지 가장 엄격한 한계를 설정하였다.