[논문 리뷰] Search for W' bosons decaying to a top and a bottom quark in leptonic final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram외 2369명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 68인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 top 및 bottom 쿼크로 붕괴하는 W′ 보손을 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 좁은 너비 조건에서 95% 신뢰수준에서 왼쪽 및 오른쪽 편극 W′ 보손의 질량이 각각 3.9 TeV 이하일 경우를 제외한다. 이는 너비가 최대 30%까지 확장된 감도를 제공한다.

ABSTRACT

A search for W' bosons decaying to a top and a bottom quark in final states including an electron or a muon is performed with the CMS detector at the LHC. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 Tev. Good agreement with the standard model expectation is observed and no evidence for the existence of the W' boson is found over the mass range examined. The largest observed deviation from the standard model expectation is found for a W' boson mass ($m_\mathrm{W'}$) hypothesis of 3.8 TeV with a relative decay width of 1%, with a local (global) significance of 2.6 (2.0) standard deviations. Upper limits on the production cross sections of W' bosons decaying to a top and a bottom quark are set. Left- and right-handed W' bosons with $m_\mathrm{W'}$ below 3.9 and 4.3 TeV, respectively, are excluded at the 95% confidence level, under the assumption that the new particle has a narrow decay width. Limits are also set for relative decay widths up to 30%. These are the most stringent limits to date on this W' boson decay channel.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV LHC에서 전자 또는 뮤온을 포함한 최종 상태에서 top 및 bottom 쿼크로 붕괴하는 W′ 보손을 탐색하여 멀티-TeV 질량 영역을 조사한다.
• 기존 탐색의 감도를 3 TeV 이상으로 확장하며, 레프톤 붕괴를 보이는 고에너지 top 쿼크에 집중한다.
• 넓은 범위의 W′ 보손 너비(1%에서 30%까지)와 편극(왼쪽, 오른쪽)을 조사하여 다양한 새로운 물리 모델의 해석 가능성을 제공한다.
• 너비 및 편극에 대한 다양한 가정 하에 W′ 생성 단면적에 대한 상한을 설정하여 새로운 게이지 보손에 대한 제약 조건을 강화한다.
• 넓은 너비 조건에서의 비현실적 W′ 생산 문제를 해결하며, 기존 재구성 기법이 실패할 수 있는 상황을 다룬다.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌 데이터 138 fb⁻¹를 활용한다.
• 강력한 top 쿼크를 식별하기 위해 고급 잡 재구성 및 서브스트럭처 기법을 적용한다 (t → Wb → ℓνbb).
• DeepJet 알고리즘을 사용하여 b-잡 식별 및 퍼티클 수준의 중첩 제거를 수행한다.
• b-잡과 레프톤-잡 시스템 간의 진동 질량으로부터 top 쿼크 질량을 재구성하며, 운동량 보정을 통해 분辨도를 향상시킨다.
• 프로파일링된 부가 변수를 사용한 가능도 기반 통계적 접근법을 통해 W′ 신호 단면적에 대한 상한을 설정한다.
• 2에서 6 TeV 사이의 질량을 가진 W′ 보손에 대해 신호 샘플을 시뮬레이션하며, 상대 너비(Γ/mW′ = 1%, 10%, 20%, 30%)와 편극(왼쪽, 오른쪽, 혼합)을 다양하게 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV LHC 에너지에서 전자 또는 뮤온을 포함한 최종 상태에서 top 및 bottom 쿼크로 붕괴하는 W′ 보손을 관측할 수 있는가?
• RQ2 최대 30%까지 큰 붕괴 너비가 top 쿼크 붕괴 서명에서 W′ 보손의 재구성 및 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 좁은 너비와 넓은 너비 조건을 가정할 때, 왼쪽 및 오른쪽 편극 W′ 보손의 제외 한계는 어떤가?
• RQ4 표준모형 s-채널 단일 top 생성과 W′ 매개 top 생성 간의 간섭이 왼쪽 편극 W′ 보손의 신호 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 넓은 너비 조건에서 비현실적 W′ 기여가 재구성된 top 쿼크 질량 분포를 얼마나 심하게 왜곡시키는가?

주요 결과

• W′ 보손의 전체 2–6 TeV 질량 범위에서 표준모형 예측을 초월하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 상대 너비 1%인 3.8 TeV 질량 가설에서 국소(전역) 의미도는 각각 2.6σ(2.0σ)에 도달하였다.
• 좁은 너비 가정 하에 95% 신뢰수준에서 3.9 TeV 이하의 왼쪽 편극 W′ 보손은 제외되었다.
• 같은 조건에서 4.3 TeV 이하의 오른쪽 편극 W′ 보손은 95% 신뢰수준에서 제외되었다.
• 상대 너비가 최대 30%까지 확장되어 이전에 탐색되지 않은 매개변수 공간 영역을 조사하였다.
• 분석 결과 넓은 너비를 가진 W′ 보손은 비현실적 생산으로 인해 더 넓고 비대칭적인 질량 피크를 생성하며, 이는 신호 모델링에서 고려되었다.