[论文解读] Evidence for four-top quark production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2323 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文利用CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹ LHC数据，提供了顶夸克四重态（tttt）产生过程的证据。通过采用基于深度神经网络的新方法估算背景，在全部强子末态、单轻子末态和反号轻子对末态中，观测到的显著性达到3.9σ（预期为1.5σ），测得的截面为36⁺¹²₋₁¹ fb，联合显著性为4.0σ，与标准模型预测一致。

ABSTRACT

The production of four top quarks ($\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$) is studied with LHC proton-proton collision data samples collected by the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, and corresponding to integrated luminosities of up to 138 fb$^{-1}$. Events that have no leptons (all-hadronic), one lepton, or two opposite-sign leptons (where lepton refers only to prompt electrons or prompt muons) are considered. This is the first $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ measurement that includes the all-hadronic final state. The observed significance of the $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ signal in these final states of 3.9 standard deviations (1.5 expected) provides evidence for $\mathrm{t\bar{t}t\bar{t}}$ production, with a measured cross section of 36$^{+12}_{-11}$ fb. Combined with earlier CMS results in other final states, the signal significance is 4.0 standard deviations (3.2 expected). The combination returns an observed cross section of 17 $\pm$ 4 (stat) $\pm$ 3 (syst) fb, which is consistent with the standard model prediction.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中观测四顶夸克产生过程，该过程在标准模型中被预测为极为稀有。
• 将tttt产生搜索扩展至全部强子末态，此前因QCD多喷胶背景建模困难而被排除。
• 通过在统计独立的控制区域中结合单轻子、反号轻子对和全部强子末态的结果，提升探测灵敏度。
• 检验标准模型对tttt产生的预测，并约束标准模型之外的新物理，如顶夸克复合性或额外维度。
• 验证一种新型数据驱动的背景估算技术，即在高多重性喷胶环境中（特别是全部强子通道）应用深度神经网络。

提出的方法

• 利用CMS探测器在2016–2018年期间于√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用深度神经网络（DNN）估算全部强子末态控制区域中的QCD多喷胶背景分布，减少对模拟的依赖。
• 通过粒子流算法和先进的b夸克标记技术优化喷胶与轻子重建，以识别顶夸克和底夸克。
• 应用事件选择标准：单轻子末态和全部强子末态中至少包含三个b夸克喷胶，反号轻子对末态中至少包含两个b夸克喷胶。
• 使用统计方法将三个末态（全部强子、单轻子、反号轻子对）的结果进行联合，以增强灵敏度。
• 使用MADGRAPH5 aMC@NLO和POWHEG生成的模拟信号与背景样本，匹配至NNLO截面，并重新加权至数据测量的截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在QCD多喷胶背景建模极为困难的全部强子末态中观测到四顶夸克产生？
• RQ2 当结合全部强子末态、单轻子末态和反号轻子对末态的数据时，tttt产生的显著性与测得截面是多少？
• RQ3 与以往分析相比，包含全部强子末态后，对tttt产生的整体探测灵敏度提升了多少？
• RQ4 观测到的tttt产生率是否与标准模型在NLO下的预测值12.0⁺².²₋².⁵ fb一致？
• RQ5 在高多重性喷胶末态中，数据驱动的基于DNN的背景估算方法在多大程度上降低了系统不确定性？

主要发现

• CMS合作组在全部强子末态、单轻子末态和反号轻子对末态联合分析中，观测到tttt产生的显著性为3.9σ（预期为1.5σ）。
• 全部强子末态、单轻子末态和反号轻子对末态中测得的截面为36⁺¹²₋₁¹ fb，显著性为3.9σ。
• 当与此前在同号轻子和多轻子末态中的CMS结果联合时，总观测显著性达到4.0σ（预期为3.2σ）。
• 联合观测截面为17 ± 4（统计）± 3（系统）fb，与标准模型预测一致。
• 此前因背景建模困难而被排除的全部强子末态，现通过数据驱动的基于DNN的估算策略成功纳入分析。
• 该分析证明了深度学习技术在复杂高多重性末态中背景估算的可行性，显著提升了在挑战性顶夸克物理搜索中的探测灵敏度。