[論文レビュー] Search for single production of a vector-like $T$ quark decaying into a Higgs boson and top quark with fully hadronic final states using the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

このATLAS実験では、13 TeVの陽子-陽子衝突で得られた139 fb⁻¹のデータにおいて、完全にハドロン最終状態をとるヒッグスボソンとトップクォークに崩壊するベクトル励起Tクォークの単一生成を調べた。有意な過剰は観測されず、95%信頼水準での生成断面積の上限が設定された。Tクォークの質量が1.07から2.3 TeVに増加するに従い、結合定数の上限は0.35から1.6に上昇した。

ABSTRACT

A search is made for a vector-like $T$ quark decaying into a Higgs boson and a top quark in 13 TeV proton-proton collisions using the ATLAS detector at the Large Hadron Collider with a data sample corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The Higgs-boson and top-quark candidates are identified in the all-hadronic decay mode, where $H o b\bar{b}$ and $t o b W o b q \bar{q}^\prime$ are reconstructed as large-radius jets. The candidate Higgs boson, top quark, and associated B-hadrons are identified using tagging algorithms. No significant excess is observed above the background, so limits are set on the production cross-section of a singlet $T$ quark at 95% confidence level, depending on the mass, $m_T$, and coupling, $κ_T$, of the vector-like $T$ quark to Standard Model particles. In the considered mass range between 1.0 and 2.3 TeV, the upper limit on the allowed coupling values increases with $m_T$ from a minimum value of 0.35 for 1.07 < $m_T$ < 1.4 TeV to 1.6 for $m_T$ = 2.3 TeV.

研究の動機と目的

• 完全にハドロン最終状態におけるヒッグスボソンとトップクォークに崩壊するベクトル励起Tクォークの探索を行う。
• LHCのATLAS検出器を用いて、標準模型を越えた重いベクトル励起クォークの存在を調べる。
• 観測データに基づき、Tクォークの生成断面積および結合強度の制約を設定する。
• 高エネルギー衝突におけるトップクォーク系の拡張とそのフェノメノロジカルな特徴の理解を深める。

提案手法

• ジェットの部分構造技術を用いて、ヒッグスボソンおよびトップクォークの候補を大径のジェットとして再構築する。
• bクォークおよびbクォーク対へのヒッグスボソン崩壊を特定するための専用のbタギングおよびヒッグスタギングアルゴリズムを適用する。
• 運動量再構築を用いて、Tクォークの崩壊トポロジー（T → Ht → bbb̄bq q̄′、H → bb̄）を同定する。
• 信号に類似したイベントを支配的なQCDおよびトップクォーク背景から区別するための多次元解析技術を適用する。
• プロファイル尤度推定を用いて、95%信頼水準での信号断面積の上限を抽出する。
• 1.0–2.3 TeVの範囲でTクォーク質量に応じた結合定数の上限の依存関係を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全にハドロン最終状態におけるヒッグスボソンとトップクォークに崩壊するベクトル励起Tクォークの生成断面積の上限は何か？
• RQ2 1.0–2.3 TeVの範囲で、Tクォークの標準模型粒子への結合強度はその質量にどのように依存するか？
• RQ3 139 fb⁻¹の13 TeVデータにおいて、ATLAS検出器はヒッグス＋トップ崩壊チャンネルのベクトル励起Tクォークの信号を観測できるか？
• RQ4 この探索における完全にハドロン最終状態の主要なバックグラウンドは何であり、それらはどのように抑制されたか？
• RQ5 ヒッグスおよびトップクォークのタギングアルゴリズムは、すべてハドロントポロジーにおける感度をどのように向上させるか？

主な発見

• 139 fb⁻¹のデータサンプルにおいて、予想されるバックグラウンドを超える有意な過剰は観測されなかった。
• Tクォークの生成断面積の上限は、1.07から2.3 TeVの質量範囲で95%信頼水準で設定された。
• Tクォークの質量が1.07から2.3 TeVに増加するに従い、結合定数の上限κ_Tは0.35から1.6に上昇した。
• ヒッグスおよびトップクォーク崩壊のための高度なジェット部分構造およびタギング技術により、感度が向上した。
• この解析により、トップクォーク系を拡張するモデルにおけるベクトル励起Tクォークのパラメータ空間が制約された。
• 観測された上限は、既存の探索と同等の性能を持ち、高質量領域における新たな制約を提供した。