[논문 리뷰] Search for single production of a vector-like $T$ quark decaying into a Higgs boson and top quark with fully hadronic final states using the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 ATLAS 실험은 LHC에서 13 TeV의 양성자-양성자 충돌 데이터 139 fb⁻¹를 사용하여, 완전하게 하드론적인 최종 상태에서 힉스 보존과 토프 쿼크로 붕괴하는 벡터-형상 T 쿼크의 단일 생성을 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 이로 인해 95% 신뢰수준에서 생산 단면적에 대한 상한선이 도출되었으며, T 쿼크 질량이 1.07에서 2.3 TeV로 증가함에 따라 결합 상수의 상한선은 0.35에서 1.6으로 증가한다.

ABSTRACT

A search is made for a vector-like $T$ quark decaying into a Higgs boson and a top quark in 13 TeV proton-proton collisions using the ATLAS detector at the Large Hadron Collider with a data sample corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The Higgs-boson and top-quark candidates are identified in the all-hadronic decay mode, where $H o b\bar{b}$ and $t o b W o b q \bar{q}^\prime$ are reconstructed as large-radius jets. The candidate Higgs boson, top quark, and associated B-hadrons are identified using tagging algorithms. No significant excess is observed above the background, so limits are set on the production cross-section of a singlet $T$ quark at 95% confidence level, depending on the mass, $m_T$, and coupling, $κ_T$, of the vector-like $T$ quark to Standard Model particles. In the considered mass range between 1.0 and 2.3 TeV, the upper limit on the allowed coupling values increases with $m_T$ from a minimum value of 0.35 for 1.07 < $m_T$ < 1.4 TeV to 1.6 for $m_T$ = 2.3 TeV.

연구 동기 및 목표

• 완전하게 하드론적인 최종 상태에서 힉스 보존과 토프 쿼크로 붕괴하는 벡터-형상 T 쿼크를 탐색하기 위해.
• LHC의 ATLAS 검출기로 표준모형을 초월한 무거운 벡터-형상 쿼크의 존재를 탐색하기 위해.
• 관측된 데이터를 바탕으로 T 쿼크의 생산 단면적과 결합 강도에 대한 제약 조건을 설정하기 위해.
• 고에너지 충돌에서 토프 쿼크 섹터 확장과 그 현상학적 서명을 이해하는 데 기여하기 위해.

제안 방법

• 제트의 하위구조 기법을 사용하여 대형 반경 제트로 힉스 보존과 토프 쿼크 후보를 재구성하기 위해.
• b-쿼크와 b-쿼크 쌍으로 붕괴하는 힉스 보존을 식별하기 위해 전용 b-태깅 및 힉스 태깅 알고리즘을 적용하기 위해.
• T 쿼크 붕괴 위상도를 식별하기 위해 운동량 재구성 기법을 사용하기 위해: T → Ht → bbb̄bq q̄′, H → bb̄.
• 주요 QCD 및 토프 쿼크 배경과 신호 유사 이벤트를 구분하기 위해 다변량 분석 기법을 적용하기 위해.
• 95% 신뢰수준에서 신호 단면적의 상한선을 추출하기 위해 프로파일-우도 적합을 수행하기 위해.
• 1.0–2.3 TeV 범위에서 T 쿼크 질량에 따른 결합 상한선의 의존성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전하게 하드론적인 최종 상태에서 힉스 보존과 토프 쿼크로 붕괴하는 벡터-형상 T 쿼크의 생산 단면적에 대한 상한선은 무엇인가요?
• RQ2 1.0–2.3 TeV 범위에서 T 쿼크의 질량이 증가함에 따라 표준모형 입자들과의 결합 강도는 어떻게 변하는가요?
• RQ3 ATLAS 검출기는 139 fb⁻¹의 13 TeV 데이터로 H + t 붕괴 채널에서 벡터-형상 T 쿼크의 신호를 관측할 수 있는가요?
• RQ4 이 탐색에서 완전하게 하드론적인 최종 상태에서의 주요 배경는 무엇이며, 어떻게 억제되나요?
• RQ5 히iggs 및 토프 쿼크 태깅 알고리즘이 모든 하드론적 위상도에서 감도를 어떻게 향상시키나요?

주요 결과

• 139 fb⁻¹ 데이터 샘플에서 기대 배경 이상의 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 1.07에서 2.3 TeV의 질량 범위 전역에서 95% 신뢰수준에서 T 쿼크의 생산 단면적에 대한 상한선이 설정되었다.
• T 쿼크 질량이 1.07에서 2.3 TeV로 증가함에 따라 결합 상한선 κ_T는 0.35에서 1.6으로 증가한다.
• 고급 제트 하위구조 및 태깅 기법을 통해 힉스 및 토프 쿼크 붕괴에 대한 감도가 향상되었다.
• 확장된 토프 쿼크 섹터를 포함하는 모델에서 벡터-형상 T 쿼크의 매개변수 공간이 제약를 받는다.
• 관측된 상한선은 기존의 탐색과 경쟁 가능하며 고질량 영역에서 새로운 제약 조건을 제공한다.