[論文レビュー] Search for Narrow Trijet Resonances in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2361 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2016–2018年にLHCで取得されたCMSデータ138 fb⁻¹を用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における狭い三ジェット共鳴状態の最初の探索を実施する。1.75–9.00 TeVの範囲で標準模型背景からの顕著なずれは観測されず、右巻きZボソン（ZR）が3つのグルーオンに崩壊する場合、および励起クォークがベクトルボソンを介して3つのクォークに崩壊する場合の質量限界を初めて設定した。また、ラディオンを介して3つのグルーオンに崩壊するカルーザ–クライングルーオン（gKK）の限界についても更新した。

ABSTRACT

The first search for narrow resonances decaying to three well-separated hadronic jets is presented. The search uses proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected at the CERN LHC. No significant deviations from the background predictions are observed between 1.75-9.00 TeV. The results provide the first mass limits on a right-handed boson Z$_{\mathrm{R}}$ decaying to three gluons, an excited quark decaying via a vector boson to three quarks, as well as updated limits on a Kaluza-Klein gluon decaying via a radion to three gluons.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、三つの明確に分離されたハドロンジェットに崩壊する単一生成の狭い共鳴状態を探索すること。
• 右巻きZボソン（ZR）、カルーザ–クライングルーオン（gKK）、励起クォーク（q*）が三ジェットに崩壊するような新しい物理のシナリオを探ること。
• 3つのグルーオンに直接崩壊する右巻きZボソン（ZR）の最初の質量限界を提供すること。
• 三ジェットインバリアント質量解析を用いて、ラディオンを介して3つのグルーオンに崩壊するカルーザ–クライングルーオン（gKK）の既存の限界を更新すること。
• 高運動量ジェットを伴う分解能の高い三ジェット最終状態を標的とすることで、既存の二ジェットおよびカスケード共鳴状態探索を補完すること。

提案手法

• 2016–2018年にLHCでCMS実験が取得した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• 再構成された粒子を用いて、粒子フロー法を用い、R = 0.4のアンチ-kTアルゴリズムを適用してジェットを再構成する。
• 三ジェットインバリアント質量（mjjj）スペクトルを分析して、三つの明確に分離された高運動量ジェットに限らず、崩壊構造に関する仮定を一切行わない狭い共鳴状態を探索する。
• 標準模型QCD背景をデータ駆動で推定し、mjjjスペクトルを滑らかに減少する経験的関数でフィットする。
• 三つのベンチマーク信号モデルを用いる：ZR → 3g、gKK → ラディオン → 3g、q* → ベクトルボソン → 3q。質量比ρm = mY/mXは0.2から0.8の範囲で変化させる。
• データ駆動の背景推定と信号領域最適化を用いて、標準模型を超える新しい物理現象への感度を最大限に高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、狭い三ジェット共鳴状態が観測可能であり、それが標準模型を超える新しい物理を示唆する可能性があるか？
• RQ2 3つのグルーオンに直接崩壊する右巻きZボソン（ZR）の最初の質量限界は何か？
• RQ3 三ジェット共鳴状態探索の感度は、以前の二ジェットおよびカスケード崩壊探索と比べてどうか？
• RQ4 三ジェット最終状態において、ラディオンを介して3つのグルーオンに崩壊するカルーザ–クライングルーオン（gKK）の更新された限界は何か？
• RQ5 三ジェット最終状態において、新しいベクトルボソンを介して3つのクォークに崩壊する励起クォーク（q*）に対して、どのような制約を課すことができるか？

主な発見

• 1.75–9.00 TeVの範囲で、三ジェットインバリアント質量スペクトルにおいて、標準模型背景予測からの顕著なずれは観測されなかった。
• 3つのグルーオンに崩壊する右巻きZボソン（ZR）の最初の質量限界が設定され、特定のベンチマークモデルでは9.00 TeVまで排除限界が延長された。
• ラディオンを介して3つのグルーオンに崩壊するカルーザ–クライングルーオン（gKK）の限界が更新され、三ジェット最終状態における感度が向上した。
• 新しいベクトルボソンを介して3つのクォークに崩壊する励起クォーク（q*）の除外限界が設定され、特定の質量比では感度が9.00 TeVまで延長された。
• 特に中間のオンシェル状態を持つ共鳴状態に対して、以前の二ジェットおよびカスケード崩壊探索とは補完的な感度を示した。
• 再現可能性と将来の比較を支援するため、公に利用可能なHepDataレコードとして、表形式の結果を提供した。