[論文レビュー] Search for Scalar Leptoquarks Produced via $τ$-Lepton–Quark Scattering in pp Collisions at $\sqrt s$ = 13 TeV

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 67被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、CMSが取得した138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、τレプトン-クォーク散乱を介したスカラー留数レプトクォークの最初の探索を報告する。レプトクォーク生成断面積と分支比の積に対する制限を設定し、特定の結合定数に対して2.0 TeVまでのレプトクォーク質量を除外する。これはLHCにおけるレプトン誘導レプトクォーク生成の画期的な探査を示している。

ABSTRACT

The first search for scalar leptoquarks produced in $τ$-lepton-quark collisions is presented. It is based on a set of proton-proton collision data recorded with the CMS detector at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The reconstructed final state consists of a jet, significant missing transverse momentum, and a $τ$ lepton reconstructed through its hadronic or leptonic decays. Limits are set on the product of the leptoquark production cross section and branching fraction and interpreted as exclusions in the plane of the leptoquark mass and the leptoquark-$τ$-quark coupling strength.

研究の動機と目的

• LHCにおける陽子-陽子衝突において、τレプトン-クォーク散乱を介したスカラー留数レプトクォークの、これまで未踏の生成モードを探索すること。
• 第三世代クォークおよびレプトンと結合するレプトクォークが、B中間子の崩壊における異常を説明できるという仮説を検証すること。
• ジェット、欠落横断運動量、およびτレプトンを含む最終状態を用いて、レプトクォーク生成断面積および分支比に対する実験的制限を設定すること。
• 陽子内のレプトンPDFのおかげで、レプトン誘導レプトクォーク生成が顕著な断面積をもたらすという理論的予測を検証すること。
• 本研究では、この画期的な生成チャネルを通じて、τレプトンおよび軽いフレーバークォーク（u, d, s）またはbクォークへのスカラー留数レプトクォーク結合に対する、初めての直接実験的制約を提供すること。

提案手法

• LHCにおける√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データを用い、CMS検出器が収集した138 fb⁻¹の統合放射能に対応する。
• 高い横断運動量を持つジェット、顕著な欠落横断運動量（pTmiss）、およびハドロン的またはレプトン的崩壊モードで崩壊するτレプトンを含む最終状態を再構築した。
• トラッキング、電磁気的およびハドロン的コメータの情報を統合することで、粒子フロー法を用いて粒子を再構築した。
• 信号イベントをPOWHEG（NLO）を用いてシミュレートし、パートオンシューティングにはHERWIGを適用し、LUXアプローチに基づくLUXLEPレプトンPDFを組み込んだ。
• 背景をMADGRAPH5 aMC@NLOを用いてベクトルボソン＋ジェットおよび二ボソン過程、POWHEGを用いてトップクォーク対およびシングルトップ生成、PYTHIA 8.240を用いてパートオンシューティングおよびτ崩壊をCP5チューニングでモデル化した。
• 分析カテゴリを定義するために、ジェットbタギングおよびレプトン識別基準を適用し、シミュレーションから得た信号効率および受容率を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近の理論的モデルが予測するように、√s = 13 TeVのpp衝突において、τレプトン-クォーク散乱を介したスカラー留数レプトクォークが生成可能かどうか？
• RQ2 この画期的な生成モードにおける、レプトクォーク生成断面積と分支比の積に対する実験的制限は何か？
• RQ3 レプトクォークとτレプトンの結合強度、およびクォークフレーバー（u, d, s, b）が、この探索の感度に与える影響は？
• RQ4 光子誘導過程に起因する前方、低pTのレプトンの存在が、この生成モードを標準的なレプトクォーク生成メカニズムとどのように区別できるか？
• RQ5 観測されたデータは、さまざまな結合強度に対して0.6–3.0 TeVの質量範囲におけるスカラー留数レプトクォーク仮説を除外できるか？

主な発見

• LHCにおけるpp衝突でτレプトン-クォーク散乱を介したスカラー留数レプトクォークの最初の実験的探索が成功裏に実施された。
• レプトクォーク質量と結合強度の平面において除外限界が設定され、Yukawa結合定数λ ≥ 1.0の場合、uτおよびdτクォークへの結合に対して、2.0 TeVまでのレプトクォーク質量が除外された。
• bτ結合に対しては、信号モデルおよび背景推定に基づき、λ ≥ 1.0の場合、1.8 TeVまでのレプトクォーク質量が除外された。
• uτおよびdτ最終状態に対して、結合定数λ = 0.5のレプトクォーク結合にまで感度を発揮し、質量が約1.0 TeVの周辺では断面積限界が1 fb未満となった。
• 結果は信号の欠如と整合しており、期待される背景を超える顕著な過剰は観測されなかった。
• 本分析により、レプトン誘導プロセスによるレプトクォーク生成に対する、初めての直接実験的制約が得られ、LUXLEP PDFに基づく理論的予測が裏付けられた。