[论文解读] Hunting scalar leptoquarks with boosted tops in pair and single production channels

Kushagra Chandak, Tanumoy Mandal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对顶夸克和带电轻子耦合的TeV尺度标量轻子偶素（$\phi_1$, $\phi_5$）的联合搜索策略，利用包含一个喷射衰变的高能顶夸克和两个高-$p_{\rm T}$同味反号轻子的事件。通过合并成对产生和单个产生通道，该方法提升了发现能力，使得在14 TeV HL-LHC下，对于某些耦合参数，可实现高达2.1 TeV的$5\sigma$发现。

ABSTRACT

The LHC search strategies for leptoquarks that couple dominantly to the top quark are different than the ones that couple mostly to light quarks. We consider TeV-scale charge 1/3 ($\phi_1$) and 5/3 ($\phi_5$) scalar leptoquarks that can decay to a top quark and a charged lepton pair ($t\ell$) giving rise to a resonance system with a boosted top quark and a high-$p_{ m T}$ lepton at the LHC. We implement a search strategy for these leptoquarks with a signal that is a combination of pair and single production channels by selecting events with at least one hadronically decaying boosted top and two high-$p_{ m T}$ same flavour opposite sign leptons. While the pair production is best for discovery in the lower mass region, our combined signal can substantially improve the LHC discovery reach as single productions generally overcome pair production in the high mass region. Contrary to the general consensus, we find that the single production of top-philic $\phi = \{\phi_1,\phi_5\}$ in association with a lepton and jets could be significant for order one $\phi t\ell$ coupling if $\phi$ couples to a left-handed top quark. Our estimate shows that the leptoquark searches in the $t\ell\ell+X$ channel can discover a scalar leptoquark as heavy as $2.1$ TeV with $5\sigma$ significance for some coupling configurations at the $14$ TeV HL-LHC.

研究动机与目标

• 解决现有LHC搜索策略在顶夸克亲和型标量轻子偶素衰变为$t\ell$末态时发现能力有限的问题。
• 提升高质质量区域的灵敏度，该区域成对产生机制的有效性逐渐降低。
• 探讨当轻子偶素与约等于1的$\phi t\ell$耦合时，单个产生通道对顶夸克亲和型轻子偶素的重要性。
• 开发一种统一的搜索策略，结合成对和单个产生机制，以增强发现潜力。

提出的方法

• 该搜索策略选择至少包含一个强子衰变的高能顶夸克和两个高-$p_{\rm T}$同味反号轻子的事件。
• 通过高能顶夸克的运动学重建和高-$p_{\rm T}$轻子识别定义信号区域。
• 该分析结合了成对产生（$\phi\phi \to t\bar{t}\ell\ell$）和单个产生（$q\bar{q},\, qg \to \phi t\ell + X$）通道。
• 该方法考虑了左旋顶夸克耦合占主导地位时对单个产生贡献的增强作用。
• 构建了一个联合信号区域，以在全质量范围内最大化灵敏度。
• 使用蒙特卡洛模拟对信号和背景过程进行建模，并针对不同耦合配置评估了$5\sigma$发现显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合搜索策略是否能显著提升顶夸克亲和型标量轻子偶素的发现能力，超越仅依赖成对产生的能力？
• RQ2 当轻子偶素与左旋顶夸克耦合时，在高质质量区，$\phi t\ell$的单个产生过程有多重要？
• RQ3 在14 TeV HL-LHC下，$t\ell\ell + X$末态中，最大可实现$5\sigma$显著性的轻子偶素质量是多少？
• RQ4 在高质质量区域，与仅使用成对产生相比，包含单个产生是否显著提升了灵敏度？
• RQ5 哪些耦合配置可实现高达2.1 TeV的标量轻子偶素的发现？

主要发现

• 与仅使用成对产生相比，联合成对和单个产生搜索策略显著提升了LHC对顶夸克亲和型标量轻子偶素的发现能力。
• 在高质质量区域，$\phi t\ell$的单个产生过程成为主导贡献，这与通常认为其可忽略的假设相反。
• 对于与左旋顶夸克具有约等于1的$\phi t\ell$耦合的情况，单个产生提供了显著的信号贡献。
• 该方法使得在14 TeV HL-LHC下，对于某些耦合配置，可实现高达2.1 TeV质量的标量轻子偶素的$5\sigma$发现。
• $t\ell\ell + X$末态中包含高能顶夸克，为探测重标量轻子偶素提供了一个强有力的探测通道。
• 该分析表明，在高质质量区域，单个产生甚至可能优于成对产生，尤其当耦合针对左旋顶夸克时。