[論文レビュー] Search for pair production of vector-like quarks in leptonic final states in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、LHCのCMS実験が2016年から2018年までに収集した138 fb⁻¹のプロトン-プロトン衝突データを用いて、√s = 13 TeVにおけるペア生成されたベクトル型TおよびBクォークの探索を報告する。単一レプトン、同符号二レプトン、およびマルチレプトンの最終状態を用い、高度なマルチレイヤーニューラルネットワークとジェット識別技術を適用することで、これまでで最も厳しい除外限界を設定した。95%信頼水準において、Tクォーク質量は最大1.54 TeVまで、Bクォーク質量は最大1.56 TeVまで除外され、特にトップクォークを含む崩壊に対して高い感受性を示した。

ABSTRACT

A search is presented for vector-like T and B quark-antiquark pairs produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. Data were collected by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016-2018, with an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events are separated into single-lepton, same-sign charge dilepton, and multilepton channels. In the analysis of the single-lepton channel a multilayer neural network and jet identification techniques are employed to select signal events, while the same-sign dilepton and multilepton channels rely on the high-energy signature of the signal to distinguish it from standard model backgrounds. The data are consistent with standard model background predictions, and the production of vector-like quark pairs is excluded at 95% confidence level for T quark masses up to 1.54 TeV and B quark masses up to 1.56 TeV, depending on the branching fractions assumed, with maximal sensitivity to decay modes that include multiple top quarks. The limits obtained in this search are the strongest limits to date for $\mathrm{T\overline{T}}$ production, excluding masses below 1.48 TeV for all decays to third generation quarks, and are the strongest limits to date for $\mathrm{B\overline{B}}$ production with B quark decays to tW.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおけるプロトン-プロトン衝突におけるベクトル型TおよびBクォークのペア生成を探索すること。
• 特にトップクォークやWボソンを含む崩壊に対して感度を向上させること。
• マルチレプトン最終状態を用いたベクトル型クォークペア生成の、これまでで最も厳しい除外限界を設定すること。
• 高度な機械学習およびジェット識別技術を活用して、信号の感度を向上させること。

提案手法

• 2016年から2018年までの間、LHCのCMS実験が収集した138 fb⁻¹のプロトン-プロトン衝突データを用いる。
• 3つの最終状態を分析する：単一レプトン、同符号二レプトン、およびマルチレプトン（≥3レプトン）。
• 単一レプトンチャンネルにおける信号選別を向上させるために、マルチレイヤーニューラルネットワークとジェット識別技術を用いる。
• 同符号およびマルチレプトンチャンネルにおいて、高エネルギーの印旛を用いて、信号と標準模型背景を区別する。
• 信号および背景過程のモデル化に、POWHEGおよびMadGraphジェネレータを用い、部分素線ショーワーイングはPYTHIA 8でマッチングする。
• 統計的不確実性の取り扱いを、チャンネル間で統合的に実施し、スケール、PDF、およびジェットエネルギー補正を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVのプロトン-プロトン衝突におけるベクトル型TおよびBクォークペア生成の検出に最も感受性の高い最終状態は何か？
• RQ2 マルチレイヤーニューラルネットワークとジェット識別技術は、単一レプトンチャンネルにおける信号感度をどのように向上させるか？
• RQ3 異なる崩壊分岐比に対して、ベクトル型クォーク質量の最も強い除外限界は何か？
• RQ4 質量の到達域および感度の観点から、過去の探索と比較して結果はどのように異なるか？
• RQ5 トップクォークやWボソンを含む崩壊は、探索の感度にどの程度寄与しているか？

主な発見

• データは標準模型背景予測と整合しており、顕著な過剰は観測されなかった。
• 95%信頼水準において、仮定された分岐比に応じて、1.54 TeVまでのベクトル型Tクォークペア生成が除外された。
• 95%信頼水準において、トップクォークを含む崩壊に対して最大感度を示し、1.56 TeVまでのベクトル型Bクォークペア生成が除外された。
• TT生成に関しては、これまでで最も厳しい除外限界を設定し、3rd世代クォークへの全崩壊に対して1.48 TeV未満の質量が除外された。
• BクォークがtWに崩壊するBB生成に関しては、これまでで最も強い除外限界が得られ、1.56 TeV未満の質量が除外された。
• 結果は、特に高質量領域および複数のトップクォークを含む最終状態において、過去のLHC探索を上回った。