[논문 리뷰] A search for top-squark pair production, in final states containing a top quark, a charm quark and missing transverse momentum, using the 139 fb$^{-1}$ of $pp$ collision data collected by the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2988명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHC에서 139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 바탕으로 ATLAS 검출기에서 상-쿼크 쌍 생성을 탐색한다. 이는 상-쿼크, 캄-쿼크, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함한 최종 상태에서 이루어지며, 유의미한 초과는 관측되지 않았다. 비틀림이 없는 모델에서 쿼크 섹터의 비최소적 풍미 위반을 고려할 경우, 경량 중성로의 경우 최대 800 GeV, 거의 질량이 일치하는 시나리오에서는 최대 600 GeV의 상-스키워크 질량가 95% 신뢰수준에서 배제된다.

ABSTRACT

This paper presents a search for top-squark pair production in final states with a top quark, a charm quark and missing transverse momentum. The data were collected with the ATLAS detector during LHC Run 2 and corresponds to an integrated luminosity of 139fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV. The analysis is motivated by an extended Minimal Supersymmetric Standard Model featuring a non-minimal flavour violation in the second- and third-generation squark sector. The top squark in this model has two possible decay modes, either $ ilde{t}_1 ightarrow c ildeχ_1^0$ or $ ilde{t}_1 ightarrow t ildeχ_1^0$, where the $ ildeχ_1^0$ is undetected. The analysis is optimised assuming that both of the decay modes are equally probable, leading to the most likely final state of $tc + E_{ ext{T}}^{ ext{miss}}$. Good agreement is found between the Standard Model expectation and the data in the search regions. Exclusion limits at 95% CL are obtained in the $m( ilde{t}_1)$ vs $m( ildeχ_1^0)$ plane and, in addition, limits on the branching ratio of the $ ilde{t}_1 ightarrow t ildeχ_1^0$ decay as a function of $m( ilde{t}_1)$ are also produced. Top-squark masses of up to 800 GeV are excluded for scenarios with light neutralinos, and top-squark masses up to 600 GeV are excluded in scenarios where the neutralino and the top squark are almost mass degenerate.

연구 동기 및 목표

• 비최소적 풍미 위반을 포함한 확장된 MSSM 모델에 기반하여, 상-쿼크, 캄-쿼크, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함한 최종 상태에서 상-스키워크 쌍 생성을 탐색한다.
• 상-스키워크(˜t₁)가 상-쿼크 또는 캄-쿼크와 함께 가장 가벼운 중성로(˜χ₀₁)로 붕괴될 수 있는 시나리오를 탐색한다. 이 중성로는 탐지되지 않는다.
• ˜t₁ → t˜χ₀₁ 붕괴의 상-스키워크 질량 및 분포율에 대해 모델 의존적 및 모델 독립적 배제 한계를 설정한다.
• 상-쿼크와 캄-쿼크를 포함한 최종 상태에 대한 감도를 향상시키기 위해 고급 캄-태깅 기술을 활용한다.

제안 방법

• LHC 런 2 동안 ATLAS 검출기가 수집한 139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 상-쿼크의 강입자 붕괴와 고급 캄-태깅 알고리즘을 통해 식별된 캄-쿼크에 중점을 두고 재구성된다.
• 이 분석은 상-쿼크, 캄-쿼크, 그리고 부족한 횡방향 운동량(ETmiss)을 포함한 최종 상태를 대상으로 하며, 주요 신호 모드 ˜t₁˜t₁ → t c + ETmiss에 해당한다.
• 제어 영역과 시뮬레이션 기반 보정을 사용하여, 주요 물리적 입자인 제트, 렙톤, 그리고 부족한 횡방향 운동량에 대한 체계적 불확실성을 평가한다.
• 모델 의존적 및 모델 독립적 신호 강도 및 분포율에 대한 한계를 추출하기 위해 프로파일 최대우도 적합을 수행한다.
• ˜t₁ → c˜χ₀₁ 및 ˜t₁ → t˜χ₀₁의 분포율이 동일하다는 가정을 두고, t+c+ETmiss 최종 상태에 대한 감도를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상-쿼크, 캄-쿼크, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함한 최종 상태에서 상-스키워크 쌍 생성에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 쿼크 섹터에서의 비최소적 풍미 위반이 상-스키워크의 붕괴 분포율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 경량 또는 거의 질량이 일치하는 중성로가 있는 시나리오에서 ATLAS 실험이 상-스키워크 질량에 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ4 캘이-태깅 기술이 상-스키워크를 포함한 압축된 SUSY 시나리오의 발견 가능성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 상-스키워크 질량에 따라 ˜t₁ → t˜χ₀₁의 분포율에 대한 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 모든 탐색 영역에서 표준모형 배경 이론에 비해 유의미한 초과가 관측되지 않아, 표준모형 예측과 일치함을 시사한다.
• 경량 중성로(m(˜χ₀₁) ≈ 0 GeV) 시나리오에서는 95% 신뢰수준에서 최대 800 GeV의 상-스키워크 질량가 배제된다.
• 상-스키워크와 중성로가 거의 질량이 일치하는 시나리오에서는 95% 신뢰수준에서 최대 600 GeV의 상-스키워크 질량가 배제된다.
• m(˜t₁)에 따라 ˜t₁ → t˜χ₀₁의 분포율에 대한 배제 한계가 유도되었으며, 특히 500–800 GeV 범위에서 가장 강력한 제약 조건이 적용된다.
• 이 분석은 제3세대 및 제2세대 쿼크를 포함한 상-스키워크 붕괴를 탐색하는 데 있어 캄-태깅 기술의 실현 가능성을 입증한다.
• 이 결과는 LHC에서 상-쿼크, 캄-쿼크, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함한 최종 상태에서 상-스키워크 쌍 생성을 전용으로 탐색한 최초의 연구이다.