[논문 리뷰] A search for high-mass resonances in final states with hadronically decaying tau leptons and high missing transverse momentum using $pp$-collision data at $\sqrt{s} = 13~ ext{TeV}$ collected by the ATLAS Detector

G. Aad, B. Abbott외 2875명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 쌓은 139 fb$^{-1}$의 $pp$ 충돌 데이터를 이용해 고질량 $W'$ 보손이 타우 렙톤과 중성미오로 붕괴하는 것을 위한 탐색을 제시한다. 타우 렙톤은 그들의 강입자 붕괴 모드로 재구성되고, 중성미오 운동량으로부터 추론된 부족한 횡방향 운동량을 이용하여 분석은 $W' \to \tau\nu$ 생성 단면적에 대한 상한을 설정하며, 순차 표준모형에서 95% 신뢰수준에서 최대 5.0 TeV의 질량을 가진 $W'$ 보손을 배제한다.

ABSTRACT

A search for new heavy charged gauge bosons $W^{\prime}$, predicted by some extensions of the Standard Model is presented in this thesis. This analysis is based on data collected from proton-proton collisions with a center-of-mass-energy of $\sqrt{s}=13~ ext{TeV}$ by the ATLAS detector. The integrated luminosity corresponds to $139~ ext{fb}^{-1}$. The search is performed in the decay channel with one tau lepton that decays hadronically and a neutrino, $W^\prime ightarrow au u$. The scenarios considered are the Sequential Standard Model, where the $W^\prime$-bosons have the same couplings as the Standard Model $W$-bosons, as well as Non-Universal Gauge Interaction Models, which allow for preferential couplings to the heavy generation of fermions.No significant excess is observed in data and upper limits at 95% confidence level on the production cross sections of the $W^\prime$ bosons under the different signal hypotheses. Model-independent upper limits are also derived to allow re-interpretation of the results in more generic models.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 양성자-양성자 충돌을 이용해 새로운 무거운 게이지 보손, 특히 $W'$ 보손을 $W' \to \tau\nu$ 붕괴 채널에서 탐색하는 것.
• 2017–2018년도 데이터를 포함한 전체 Run 2 ATLAS 데이터 세트 139 fb$^{-1}$를 활용하여 감도를 향상시키는 것.
• 강입자 붕괴 모드에서의 개선된 타우 렙톤 재구성 및 식별 기술을 통해 신호 감도를 향상시키는 것.
• 모델에 종속되지 않은 및 모델에 종속된 $W'$ 보손 질량과 결합 상수에 대한 배제 한계를 설정하는 것, 특히 편향된 결합 상황에서의 경우를 포함하여.

제안 방법

• 이벤트는 부족한 횡방향 운동량에 기반한 트리거를 사용하여 선택되며, 타우 렙톤은 모든 타우 붕괴의 65%를 차지하는 강입자 붕괴 모드에서만 재구성된다.
• 횡방향 질량 $m_T$ 는 타우 렙톤의 4운동량과 추론된 부족한 횡방향 운동량 벡터로부터 계산되며, 주요 운동학적 분류 기준이 된다.
• QCD 다중제트 및 $W$+제트 배경은 제어 영역과 행렬원소 방법을 포함한 데이터 기반 기법을 사용하여 추정된다.
• 제트 에너지 스케일, 타우 렙톤 에너지 스케일, 부족한 횡방향 운동량 해상도 및 트리거 효율성에 대한 체계적 불확실성이 평가된다.
• 다중 밴드 탐색 전략이 사용되며, 횡방향 질량 스펙트럼을 여러 밴으로 나누어 공명 신호에 대한 감도를 향상시킨다.
• 모델에 종속되지 않은 제약 조건을 제공하기 위해, 횡방향 질량 임계값에 따라 가시 단면적 곱하기 분해비율에 대한 상한이 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 실험은 전체 Run 2 데이터 세트 139 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $W'$ 보손이 $\tau\nu$ 로 붕괴하는 데 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ2 향상된 타우 렙톤 재구성 및 식별 기술은 $W'$ 보손에 대한 발견 가능성을 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 fermion 에 대한 유니버설 및 비유니버설 결합에 대해 $W'$ 보손 질량에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ4 이 결과들은 이전의 탐색과 전자약력 정밀 측정에서의 간접 제약와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 횡방향 질량 임계값에 따라 가시 단면적 곱하기 분해비율에 대한 모델에 종속되지 않은 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 횡방향 질량 분포에서 표준모형 예측을 초월하는 유의미한 초과 이벤트는 관측되지 않았다.
• 순차 표준모형에서, 표준모형 $W$ 보손과 동일한 결합을 가정할 경우, 95% 신뢰수준에서 최대 5.0 TeV의 질량을 가진 $W'$ 보손이 배제된다.
• 비유니버설 결합 모델의 경우, 결합 상수 파라미터 $\cot\theta_{\text{NU}}$ 의 값에 따라 3.5 TeV에서 5.0 TeV 사이의 질량을 가진 $W'$ 보손이 배제된다.
• 분석은 횡방향 질량 임계값에 따라 가시 단면적 곱하기 분해비율에 대한 모델에 종속되지 않은 상한을 설정하였으며, 향후 이론 모델에 대한 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 2017–2018년 데이터의 포함, 개선된 타우 렙톤 재구성, 다중 밴 탐색 전략 덕분에 감도가 이전 ATLAS 분석보다 향상되었다.
• 결과는 $W' \to \tau\nu$ 채널에서 최대 5.0 TeV까지 새로운 물리학의 부재를 지지하며, 다른 LHC 탐색 및 정밀 측정 결과와 일관된다.