[論文レビュー] Search for heavy resonances and quantum black holes in e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2355 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、LHCのCMS実験が得た√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ138 fb⁻¹を用いて、重い共鳴状態および量子ブラックホールのレプトンフレーバー違反（LFV）崩壊、特にeµ、eτ、µτ最終状態における検出を試みた。標準模型との顕著なずれは観測されず、これまでで最も厳しい除外限界が得られた：共鳴状態のτスネュートリノは4.2 TeVまで、Z′ボソンは5.0 TeVまで、量子ブラックホールはeµチャンネルで5.6 TeVまで除外された。他のチャンネルでも同様の限界が得られた。

ABSTRACT

A search is reported for heavy resonances and quantum black holes decaying into e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ final states in proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC during 2016-2018 at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ invariant mass spectra are reconstructed, and no evidence is found for physics beyond the standard model. Upper limits are set at 95% confidence level on the product of the cross section and branching fraction for lepton flavor violating signals. Three benchmark signals are studied: resonant $ au$ sneutrino production in $R$ parity violating supersymmetric models, heavy Z' gauge bosons with lepton flavor violating decays, and nonresonant quantum black hole production in models with extra spatial dimensions. Resonant $ au$ sneutrinos are excluded for masses up to 4.2 TeV in the e$\mu$ channel, 3.7 TeV in the e$ au$ channel, and 3.6 TeV in the $\mu au$ channel. A Z' boson with lepton flavor violating couplings is excluded up to a mass of 5.0 TeV in the e$\mu$ channel, up to 4.3 TeV in the e$ au$ channel, and up to 4.1 TeV in the $\mu au$ channel. Quantum black holes in the benchmark model are excluded up to the threshold mass of 5.6 TeV in the e$\mu$ channel, 5.2 TeV in the e$ au$ channel, and 5.0 TeV in the $\mu au$ channel. In addition, model-independent limits are extracted to allow comparisons with other models for the same final states and similar event selection requirements. The results of these searches provide the most stringent limits available from collider experiments for heavy particles that undergo lepton flavor violating decays.

研究の動機と目的

• 高質量eµ、eτ、µτ最終状態におけるレプトンフレーバー違反崩壊を通じて、標準模型を超える物理学の探索を目的とする。
• R-奇性破れ超対称性、重いZ′ゲージボソン、および余剰次元における量子ブラックホールを含む、主要な理論的モデルの検証を目的とする。
• Run 2 LHCの全データセットを用いて、モデルに依存しないおよびベンチマーク固有の除外限界を設定することを目的とする。
• √s = 13 TeVで収集された全138 fb⁻¹の統合した放射線量を活用し、感度を向上させることを目的とする。
• 高質量共鳴状態および量子ブラックホールのLFV崩壊に関する、これまでで最も厳しい衝突機器制約を提供することを目的とする。

提案手法

• √s = 13 TeVの138 fb⁻¹のpp衝突データから、eµ、eτ、µτ最終状態のインバリアント質量スペクトルを再構築する。
• レプトンの分離度、運動学的条件、および断面積の横方向運動量の要件を課えることで、標準模型のバックグラウンドを抑制する厳しいイベント選別基準を適用する。
• 信号およびバックグラウンド過程をモデル化するためにモンテカルロシミュレーションを用い、信号生成にはCalcHEPを、部分子シャワーのマッチングにはPOWHEGおよびPYTHIAを用いる。
• 主要な標準模型バックグラウンド（例：Drell-Yan、トップクォーク対、二ボソン生成）をデータ駆動手法とシミュレーションを用いて推定する。
• 検出器のエネルギー分解能、エネルギースケール、レプトン識別効率などの系統的不確実性補正を、信号およびバックグラウンド推定に適用する。
• プロファイル尤度比法を用いた統計的仮説検定により、断面積×分岐比の95%信頼水準上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおける、eµ、eτ、µτ最終状態に崩壊する重い共鳴状態の生成に対して、これまでで最も厳しい限界は何か？
• RQ2 現在のLHCデータでは、τスネュートリノ生成を伴うR-奇性破れ超対称性はどの程度まで除外可能か？
• RQ3 95%信頼水準において、レプトンフレーバー違反カップリングを持つZ′ボソンの最大質量は何か？
• RQ4 余剰次元を想定したモデルにおける量子ブラックホール生成断面積は、観測データとどのように比較されるか？
• RQ5 同様の最終状態および選別基準を有する新しい物理現象のシナリオに適用可能な、モデルに依存しない除外限界は何か？

主な発見

• eµ、eτ、µτインバリアント質量スペクトルに顕著な過剰は観測されず、これらの最終状態において、標準模型を超える新しい物理的兆候は示唆されない。
• 95%信頼水準において、共鳴状態のτスネュートリノはeµチャンネルで4.2 TeVまで、eτチャンネルで3.7 TeVまで、µτチャンネルで3.6 TeVまで除外された。
• レプトンフレーバー違反カップリングを持つZ′ボソンは、eµチャンネルで5.0 TeVまで、eτチャンネルで4.3 TeVまで、µτチャンネルで4.1 TeVまで除外された。
• ベンチマークモデルにおける量子ブラックホールは、eµチャンネルで5.6 TeVのしきい値質量まで、eτチャンネルで5.2 TeVまで、µτチャンネルで5.0 TeVまで除外された。
• 本分析により、高質量二レプトン最終状態におけるLFV崩壊の断面積×分岐比について、これまでで最も厳しい限界が設定された。
• モデルに依存しない上限が抽出され、類似した運動学的および選別基準を有する他の理論的モデルや実験的探索との直接比較が可能となった。