[論文レビュー] Search for pair-produced vector-like leptons in final states with third-generation leptons and at least three b quark jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, W. Erdmann+2369 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、CMS検出器を用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ96.5 fb⁻¹を用い、4321モデルにおけるベクトル励起レプトン（VLL）の最初の探索を報告する。最終状態として3個以上のb-taggedジェットと2個の第3世代レプトン（τ、ντ、またはℓτ）を対象とし、600 GeVのVLL質量において2.8σの信号優位性を示した。観測された上限は、局所的過剰により予想値の約2倍に達した。

ABSTRACT

The first search is presented for vector-like leptons (VLLs) in the context of the '4321 model', an ultraviolet-complete model with the potential to explain existing B physics measurements that are in tension with standard model predictions. The analyzed data, corresponding to an integrated luminosity of 96.5 fb$^{-1}$, were recorded in 2017 and 2018 with the CMS detector at the LHC in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ =13 TeV. Final states with ${\geq}$3 b-tagged jets and two third-generation leptons ($ au au$, $ au u_ au$, or $ u_ au u_ au$) are considered. Upper limits are derived on the VLL production cross section in the VLL mass range 500-1050 GeV. The maximum likelihood fit prefers the presence of signal at the level of 2.8 standard deviations, for a representative VLL mass point of 600 GeV. As a consequence, the observed upper limits are approximately double the expected limits.

研究の動機と目的

• 標準模型の紫外完全な拡張である4321モデルの文脈において、ペア生成されたベクトル励起レプトン（VLL）の探索を目的とする。このモデルはB中間子の崩壊における異常を説明する。
• レプトクォークを含まないモデルではカバーされていない、3個以上のb-taggedジェットと2個の第3世代レプトン（ττ、τντ、またはντντ）を含む最終状態を対象とする。
• 電弱生成とベクトルレプトクォークを通じた崩壊を考慮し、質量範囲500–1050 GeVにおけるVLL生成断面積の上限を導出する。
• R(D)およびR(D*)測定における緊張の影響を踏まえ、観測データが信号の存在と整合するかを評価する。

提案手法

• 本分析は、2017年および2018年におけるCMS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ96.5 fb⁻¹を用いる。
• イベント選択は、高いbジェット多重度（≥3個のbタグ付きジェット）および2個の第3世代レプトン（τ、ντ、またはℓτ）を含む最終状態に基づく。主にすべてのハドロン的トポロジーに焦点を当てる。
• τレプトンの多重度（0、1、または2個）に基づき、イベントサンプルを信号領域（SRs）と制御領域（CRs）に分類し、各カテゴリに特化した選択を実施する。
• すべてのτ多重度カテゴリ（SRおよびCRを含む）に対して、同時に最大尤度フィットを実行し、信号強度を抽出するとともに、VLL生成断面積の上限を設定する。
• バックグラウンドはトップクォーク対生成、Drell-Yan、およびマルチジェット過程から来るとし、シミュレーションとデータ駆動手法を用いてバックグラウンドをモデル化する。
• 4321モデルは、ベクトルレプトクォークを通じたVLLの崩壊を予測し、主にbクォークおよびτレプトンまたはニュートリノへの崩壊モードが支配的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3個以上のbタグ付きジェットと2個の第3世代レプトンを含む最終状態において、観測データに4321モデルにおけるペア生成されたベクトル励起レプトンの証拠が見られるか？
• RQ2 質量500–1050 GeVの範囲において、観測データに基づくVLL生成断面積の上限は何か？
• RQ3 標準模型のバックグラウンド予測から著しいずれかのずれが生じており、信号の存在を示唆する兆候があるか？
• RQ4 観測された上限と予想される上限を比較すると、どのような意味で潜在的な信号の重要性が示唆されるか？

主な発見

• 最大尤度フィットにより、代表的なVLL質量点600 GeVにおいて2.8σの信号優位性が示され、データに局所的過剰が存在することを示唆する。
• 観測されたVLL生成断面積の上限は、予想される上限のおよそ2倍に達しており、バックグラウンドのみの仮説と矛盾する可能性を示唆する。
• 質量範囲500–1050 GeVにおけるVLL生成断面積の上限が設定され、600 GeVの質量点において観測上限が予想上限の2倍以上に達した。
• 2個のτレプトンと4個のbジェットを含む信号領域に中程度の過剰が観測され、全体の有意性優位性に寄与した。
• Z′ボソンの寄与を含めても結果は安定しており、生成モードにかかわらず予想される信号強度は一貫している。
• 本研究は、4321モデルにおけるVLLの最初の直接探索であり、Bの異常を説明するPati–Salamレプトクォークを持つ他のモデルに対しても関連性があると予想される。