[论文解读] A search for high-mass resonances in final states with hadronically decaying tau leptons and high missing transverse momentum using $pp$-collision data at $\sqrt{s} = 13~ ext{TeV}$ collected by the ATLAS Detector

G. Aad, B. Abbott+2875 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在$\sqrt{s} = 13$ TeV下收集的139 fb$^{-1}$ $pp$碰撞数据，搜索了衰变为tau轻子和中微子的高质​​量$W'$玻色子。通过重建tau轻子的强子衰变模式并推断中微子动量对应的缺失横向动量，该分析设定了$W' \to \tau\nu$产生截面的上限，在顺序标准模型中，排除了质量高达5.0 TeV的$W'$玻色子，置信水平为95%。

ABSTRACT

A search for new heavy charged gauge bosons $W^{\prime}$, predicted by some extensions of the Standard Model is presented in this thesis. This analysis is based on data collected from proton-proton collisions with a center-of-mass-energy of $\sqrt{s}=13~ ext{TeV}$ by the ATLAS detector. The integrated luminosity corresponds to $139~ ext{fb}^{-1}$. The search is performed in the decay channel with one tau lepton that decays hadronically and a neutrino, $W^\prime ightarrow au u$. The scenarios considered are the Sequential Standard Model, where the $W^\prime$-bosons have the same couplings as the Standard Model $W$-bosons, as well as Non-Universal Gauge Interaction Models, which allow for preferential couplings to the heavy generation of fermions.No significant excess is observed in data and upper limits at 95% confidence level on the production cross sections of the $W^\prime$ bosons under the different signal hypotheses. Model-independent upper limits are also derived to allow re-interpretation of the results in more generic models.

研究动机与目标

• 利用高能质子-质子碰撞，在$W' \to \tau\nu$衰变道中搜索新的重规范玻色子，特别是$W'$玻色子。
• 通过利用完整的Run 2 ATLAS数据集（139 fb$^{-1}$），包括此前搜索中未使用的2017–2018年数据，提升灵敏度。
• 通过改进强子衰变模式中$\tau$轻子的重建与识别技术，增强信号灵敏度。
• 设定$W'$玻色子质量与耦合的模型无关及模型相关排除限值，尤其关注费米子非统一耦合情形。

提出的方法

• 事件通过基于缺失横向动量的触发选择，$\tau$轻子仅在强子衰变模式中重建，占所有$\tau$衰变的65%。
• 从$\tau$轻子四维动量和推断的缺失横向动量矢量计算横向质量$m_T$，作为主要的运动学判别变量。
• QCD多喷胶和$W$+jets过程的背景通过数据驱动技术估算，包括控制区域和矩阵元方法。
• 系统性不确定度评估包括喷胶能量标度、$\tau$轻子能量标度、缺失横向动量分辨率以及触发效率。
• 采用多箱搜索策略，将横向质量谱划分为多个区间，以增强对共振信号的灵敏度。
• 作为横向质量阈值的函数，推导出可见截面乘以分支比的上限，从而实现模型无关的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS实验在使用完整的Run 2数据集（139 fb$^{-1}$）时，对衰变为$\tau\nu$的$W'$玻色子的灵敏度如何？
• RQ2 改进的$\tau$轻子重建与识别技术如何影响$W'$玻色子的发现潜力？
• RQ3 对费米子具有统一与非统一耦合的$W'$玻色子质量，其排除限值是多少？
• RQ4 与先前的搜索结果及电弱精确测量的间接约束相比，本结果如何？
• RQ5 作为横向质量阈值函数的可见截面乘以分支比的模型无关限值是什么？

主要发现

• 在横向质量分布中未观测到显著超出标准模型预期的事件过剩。
• 在顺序标准模型中，假设耦合与标准模型$W$玻色子相同，质量高达5.0 TeV的$W'$玻色子在95%置信水平下被排除。
• 对于非统一耦合模型，$W'$玻色子在3.5 TeV至5.0 TeV的质量范围内被排除，具体取决于耦合参数$\cot\theta_{\text{NU}}$的取值。
• 该分析作为横向质量阈值的函数，设定了可见截面乘以分支比的模型无关上限，为未来理论模型提供了稳健约束。
• 与以往ATLAS分析相比，通过引入2017–2018年数据、改进$\tau$轻子重建以及采用多箱搜索策略，灵敏度得到提升。
• 结果与$W' \to \tau\nu$通道中至5.0 TeV范围内不存在新物理的假设一致，进一步强化了来自其他LHC搜索和精确测量的约束。