[논문 리뷰] Hunting scalar leptoquarks with boosted tops in pair and single production channels

Kushagra Chandak, Tanumoy Mandal외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 토프 쿼크와 양성자 렙톤에 결합하는 테바 스케일의 스칼라 렙톤쿠아크($\phi_1$, $\phi_5$)를 위한 병합 검색 전략을 제안한다. 이 전략은 강력하게 쌓인 토프 쿼크와 두 개의 동일한 쿼르크를 가진 반대전하 렙톤을 포함하는 사건을 사용한다. 쌍생성 및 단일 생성 채널을 융합함으로써 이 방법은 발견 가능성을 향상시키며, 특정 결합 조건에서 14 테바 볼트의 하이퍼리프트 라이트 하이퍼레프트 콜라이더(HL-LHC)에서 2.1 테바 볼트 이하의 렙톤쿠아크에 대해 $5\sigma$ 발견을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The LHC search strategies for leptoquarks that couple dominantly to the top quark are different than the ones that couple mostly to light quarks. We consider TeV-scale charge 1/3 ($\phi_1$) and 5/3 ($\phi_5$) scalar leptoquarks that can decay to a top quark and a charged lepton pair ($t\ell$) giving rise to a resonance system with a boosted top quark and a high-$p_{ m T}$ lepton at the LHC. We implement a search strategy for these leptoquarks with a signal that is a combination of pair and single production channels by selecting events with at least one hadronically decaying boosted top and two high-$p_{ m T}$ same flavour opposite sign leptons. While the pair production is best for discovery in the lower mass region, our combined signal can substantially improve the LHC discovery reach as single productions generally overcome pair production in the high mass region. Contrary to the general consensus, we find that the single production of top-philic $\phi = \{\phi_1,\phi_5\}$ in association with a lepton and jets could be significant for order one $\phi t\ell$ coupling if $\phi$ couples to a left-handed top quark. Our estimate shows that the leptoquark searches in the $t\ell\ell+X$ channel can discover a scalar leptoquark as heavy as $2.1$ TeV with $5\sigma$ significance for some coupling configurations at the $14$ TeV HL-LHC.

연구 동기 및 목표

• 토프 필리크 스칼라 렙톤쿠아크가 $t\ell$ 최종 상태로 붕괴할 경우 기존의 LHC 검색 전략이 제한된 발견 가능성을 보이는 문제를 다루기 위해.
• 쌍생성의 효율성이 떨어지는 고질량 영역에서 감도를 향상시키기 위해.
• 순서 수준의 $\phi t\ell$ 결합을 가진 토프 필리크 렙톤쿠아크에 대해 단일 생성 채널의 중요성을 탐색하기 위해.
• 더 높은 발견 가능성을 확보하기 위해 쌍생성과 단일 생성을 통합한 통합 검색 전략을 개발하기 위해.

제안 방법

• 최소한 하나의 강력하게 쌓인 토프 쿼크와 두 개의 고-$p_{\rm T}$ 동일한 쿼르크 반대전하 렙톤을 포함하는 사건을 선별하는 전략을 사용한다.
• 강력하게 쌓인 토프 쿼크의 운동학적 재구성과 고-$p_{\rm T}$ 렙톤 식별을 통해 신호 영역을 정의한다.
• 분석은 쌍생성($\phi\phi \to t\bar{t}\ell\ell$)과 단일 생성($q\bar{q},\, qg \to \phi t\ell + X$) 채널을 통합한다.
• 좌측 토프 쿼크 결합이 단일 생성 기여를 증가시키는 데 지배적이라는 점을 고려한다.
• 전체 질량 범위에서 감도를 최대화하기 위해 통합된 신호 영역을 구성한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 신호 및 배경 과정을 모델링하며, 다양한 결합 구성 조건에서 $5\sigma$ 발견의 뜻을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쌍생성 전용 전략보다 더 높은 발견 가능성을 확보하기 위해 쌍생성과 단일 생성을 병합한 전략이 토프 필리크 스칼라 렙톤쿠아크의 발견 가능성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 레프트핸드 토프 쿼크에 결합하는 $\phi$가 고질량 영역에서 $\phi t\ell$의 단일 생성 기여가 얼마나 중요한가?
• RQ3 14 테바 볼트의 HL-LHC에서 $t\ell\ell + X$ 최종 상태에서 $5\sigma$의 발견 가능성이 있는 최대 렙톤쿠아크 질량은 얼마인가?
• RQ4 고질량 영역에서 단일 생성을 포함함으로써 쌍생성 전략에 비해 감도가 상당히 향상되는가?
• RQ5 어떤 결합 구성 조건이 스칼라 렙톤쿠아크를 2.1 테바 볼트까지 $5\sigma$로 발견할 수 있게 하는가?

주요 결과

• 쌍생성과 단일 생성을 병합한 검색 전략은 쌍생성 전용 전략에 비해 토프 필리크 스칼라 렙톤쿠아크의 LHC 발견 가능성을 크게 향상시킨다.
• 단일 생성의 $\phi t\ell$ 기여는 일반적으로 무시 가능하다고 여겨지는 것과는 달리 고질량 영역에서 지배적인 기여가 된다.
• 좌측 토프 쿼크에 대한 순서 수준의 $\phi t\ell$ 결합 조건에서는 단일 생성이 상당한 신호 기여를 제공한다.
• 일부 결합 구성 조건에서 14 테바 볼트의 HL-LHC에서 질량이 2.1 테바 볼트 이하인 스칼라 렙톤쿠아크에 대해 $5\sigma$ 발견이 가능하다.
• 강력하게 쌓인 토프 쿼크를 포함한 $t\ell\ell + X$ 최종 상태는 무거운 스칼라 렙톤쿠아크를 탐색하는 데 강력한 채널을 제공한다.
• 분석은 단일 생성이 고질량 영역에서 쌍생성보다 뛰어난 성능을 보임을 입증하며, 특히 렙톤쿠아크가 좌측 토프 쿼크에 결합할 경우 더욱 두드러진다.