[논문 리뷰] Search for Scalar Leptoquarks Produced via $τ$-Lepton–Quark Scattering in pp Collisions at $\sqrt s$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2361명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 67인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 τ-르프톤-쿼크 산란을 통해 생성되는 스칼라 르프톤쿼크에 대한 최초의 탐색을 제시한다. 이는 특정 결합에 대해 2.0 TeV 이하의 르프톤쿼크 질량을 배제하는 르프톤쿼크 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 제한을 설정하며, LHC에서 르프톤 유도 르프톤쿼크 생성을 새롭게 탐색한 것으로, 뜻밖에 새로운 발견이다.

ABSTRACT

The first search for scalar leptoquarks produced in $τ$-lepton-quark collisions is presented. It is based on a set of proton-proton collision data recorded with the CMS detector at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The reconstructed final state consists of a jet, significant missing transverse momentum, and a $τ$ lepton reconstructed through its hadronic or leptonic decays. Limits are set on the product of the leptoquark production cross section and branching fraction and interpreted as exclusions in the plane of the leptoquark mass and the leptoquark-$τ$-quark coupling strength.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 양성자-양성자 충돌에서 τ-르프톤-쿼크 산란을 통한 스칼라 르프톤쿼크의 이전에 탐색되지 않은 생성 모드를 탐색하기 위해.
• 제3세대 쿼크와 르프톤에 결합된 르프톤쿼크가 B 메손 붕괴에서 관측된 이상 현상들을 설명할 수 있다는 가설을 테스트하기 위해.
• 제일 끝 상태에 제트, 부족한 횡방향 운동량, 그리고 τ 르프톤이 포함된 경우에 대해 르프톤쿼크 생성 단면적과 분해비에 대한 실험적 제한을 설정하기 위해.
• 양성자 내 르프톤 PDF에 기인하여 르프톤 유도 르프톤쿼크 생성이 상당한 단면적을 낼 수 있다는 이론적 예측을 검증하기 위해.
• 이 새로운 생성 채널을 통해 τ 르프톤과 경량 풍미(우, 디, 스) 또는 b 쿼크에 대한 스칼라 르프톤쿼크 결합에 대한 첫 번째 직접 실험 제약을 제공하기 위해.

제안 방법

• LHC에서 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하였으며, 이는 CMS 검출기에서 확보한 누적 루미너시 138 fb⁻¹에 해당한다.
• 고 횡방향 운동량 제트, 뚜렷한 부족한 횡방향 운동량(pTmiss), 그리고 하이드로닉 또는 르프톤 모드로 붕괴하는 τ 르프톤을 포함한 최종 상태를 재구성하였다.
• 입자 흐름 알고리즘을 사용하여 추적, 전자기 및 하드론 칼로리미터 정보를 통합하여 입자를 재구성하였다.
• 신호 이벤트를 POWHEG(NLO 수준)를 사용하여 시뮬레이션하였으며, 파르톤 샤워링에는 HERWIG를 사용하였고, LUX방법에서 유도된 LUXLEP 르프톤 PDF를 통합하였다.
• 백그라운드를 MADGRAPH5 aMC@NLO를 사용하여 벡터 보손 + 제트 및 이중 보손 과정, POWHEG를 사용하여 톰 쿼크 쌍 및 단일 톰 생성 과정, PYTHIA 8.240를 사용하여 파르톤 샤워링 및 τ 붕괴를 CP5 튜닝으로 모델링하였다.
• 분석 카테고리 정의를 위해 제트 b-태깅 및 르프톤 식별 조건을 적용하였으며, 신호 효율성과 수용율은 시뮬레이션에서 유도되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근의 이론 모델이 예측하는 바와 같이, √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 τ-르프톤-쿼크 산란을 통해 스칼라 르프톤쿼크가 생성될 수 있는가?
• RQ2 이 새로운 생성 모드에 대해 르프톤쿼크 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 실험적 제한은 무엇인가?
• RQ3 르프톤쿼크와 τ 르프톤 간의 결합 강도와 쿼크 풍미(u, d, s, b)가 이 검색의 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 광선, 낮은 pT의 르프톤이 광자 유도 과정에서 발생하는 현상은 이 생성 모드를 표준 르프톤쿼크 생성 메커니즘과 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ5 관측된 데이터는 다양한 결합 강도에 대해 질량 범위 0.6–3.0 TeV 내의 스칼라 르프톤쿼크 가설을 배제할 수 있는가?

주요 결과

• LHC에서의 pp 충돌에서 τ-르프톤-쿼크 산란을 통해 생성되는 스칼라 르프톤쿼크에 대한 최초의 실험적 탐색이 성공적으로 수행되었다.
• 르프톤쿼크 질량과 결합 강도의 평면에서 제한이 설정되었으며, 야쿠바 결합 λ ≥ 1.0일 경우 uτ 및 dτ 쿼크에 대한 결합에 대해 최대 2.0 TeV 이하의 르프톤쿼크 질량이 배제되었다.
• bτ 결합의 경우, 신호 모델과 배경 추정에 기반하여 λ ≥ 1.0일 경우 최대 1.8 TeV 이하의 르프톤쿼크 질량이 배제되었다.
• 이 분석은 uτ 및 dτ 최종 상태에 대해 λ = 0.5까지의 르프톤쿼크 결합에 민감하게 반응하였으며, 질량이 약 1.0 TeV 근처일 경우 해당 단면적 제한이 1 fb 이하였다.
• 결과는 신호의 부재와 일치하며, 기대 배경을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 이 분석은 르프톤 유도 과정을 통한 르프톤쿼크 생성에 대한 첫 번째 직접 실험 제약를 제공하였으며, LUXLEP PDF 기반의 이론 예측을 검증하였다.