[논문 리뷰] Search for pair production of vector-like quarks in leptonic final states in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

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

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 2016–2018년 동안 쌓은 138 fb⁻¹의 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 쌍생성된 벡터-형상 T 및 B 쿼크를 탐색한다. 단일 레프톤, 같은 전하의 이레프톤, 다중레프톤 최종 상태를 사용하고, 고급 다층 신경망 및 제트 식별 기법을 적용하여, 현재까지 가장 강력한 배제 한계를 설정하였으며, 95% 신뢰수준에서 T 쿼크 질량은 최대 1.54 TeV, B 쿼크 질량은 최대 1.56 TeV까지 배제하였다. 특히 톰 쿼크를 포함한 붕괴에 매우 민감하다.

ABSTRACT

A search is presented for vector-like T and B quark-antiquark pairs produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. Data were collected by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016-2018, with an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events are separated into single-lepton, same-sign charge dilepton, and multilepton channels. In the analysis of the single-lepton channel a multilayer neural network and jet identification techniques are employed to select signal events, while the same-sign dilepton and multilepton channels rely on the high-energy signature of the signal to distinguish it from standard model backgrounds. The data are consistent with standard model background predictions, and the production of vector-like quark pairs is excluded at 95% confidence level for T quark masses up to 1.54 TeV and B quark masses up to 1.56 TeV, depending on the branching fractions assumed, with maximal sensitivity to decay modes that include multiple top quarks. The limits obtained in this search are the strongest limits to date for $\mathrm{T\overline{T}}$ production, excluding masses below 1.48 TeV for all decays to third generation quarks, and are the strongest limits to date for $\mathrm{B\overline{B}}$ production with B quark decays to tW.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 벡터-형상 T 및 B 쿼크의 쌍생성을 탐색한다.
• 특히 톰 쿼크 또는 W 보손을 포함한 무거운 벡터-형상 쿼크 붕괴에 대한 감도를 향상시킨다.
• 다중레프톤 최종 상태를 이용한 벡터-형상 쿼크 쌍생성에 대해 현재까지 가장 엄격한 배제 한계를 설정한다.
• 고급 기계학습 및 제트 식별 기법을 활용하여 신호 감도를 향상시킨다.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 LHC에서 CMS 실험을 통해 수집한 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 세 가지 최종 상태를 분석한다: 단일 레프톤, 같은 전하의 이레프톤, 다중레프톤 (≥3개 레프톤).
• 단일 레프톤 채널에서 신호 선택을 향상시키기 위해 다층 신경망 및 제트 식별 기법을 적용한다.
• 같은 전하 및 다중레프톤 채널에서 고에너지 서명을 통해 신호를 표준모형 배경과 구별한다.
• 신호 및 배경 과정을 모델링하기 위해 POWHEG 및 MadGraph 생성기로 시뮬레이션된 이벤트를 사용하며, 파arton 샤워링은 PYTHIA 8을 통해 매칭한다.
• 통합 한계 설정을 위해 채널 간 체계적 불확실성 처리(스케일, PDF, 제트 에너지 보정 포함)를 시행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV 양성자-양성자 충돌에서 벡터-형상 T 및 B 쿼크 쌍생성 탐색에 가장 민감한 최종 상태는 무엇인가?
• RQ2 다층 신경망 및 제트 식별 기법은 단일 레프톤 채널에서 신호 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 다양한 붕괴 분획율에 대해 가장 강력한 벡터-형상 쿼크 질량에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ4 질량 영역 및 감도 측면에서 이전의 탐색 결과와 비교해 결과는 어떻게 다를까?
• RQ5 톰 쿼크 또는 W 보손을 포함한 붕괴는 탐색 감도에 얼마나 큰 기여를 하는가?

주요 결과

• 데이터는 표준모형 배경 예측과 일치하며, 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 가장자기 분획율에 따라 95% 신뢰수준에서 T 쿼크 쌍생성은 최대 1.54 TeV 이하에서 배제되었다.
• 최대 감도가 톰 쿼크를 포함한 붕괴에 대해 적용될 때, B 쿼크 쌍생성은 95% 신뢰수준에서 최대 1.56 TeV 이하에서 배제되었다.
• TT 생성에 대해 현재까지 가장 강력한 배제 한계를 설정하였으며, 제3세대 쿼크로의 붕괴에 대해 모든 경우에서 1.48 TeV 이하의 질량이 배제되었다.
• B 쿼크가 tW로 붕괴하는 BB 생성의 경우, 현재까지 가장 강력한 배제 한계를 설정하였으며, 1.56 TeV 이하의 질량이 배제되었다.
• 결과는 이전의 LHC 탐색에 비해 특히 고질량 영역 및 다수의 톰 쿼크를 포함한 최종 상태에서 향상되었다.