[论文解读] Leptoquark searches in CMS

Y. Takahashi|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本论文报告了在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中，利用 35.9 fb⁻¹ 的积分亮度，对标量和矢量轻子荷夸克（LQs）的更新搜索结果。研究聚焦于第二代和第三代 LQs，其衰变模式包括二μ子、二τ子或带有缺失横向动量的末态，采用先进的多变量和基于截断的分析方法，设定了严格的排除极限，其中第二代 LQs 在 β=1.0 时被排除至 1530 GeV，第三代 LQs 在 95% 置信水平下被排除至 750 GeV，从而对解释 B 物理异常的模型施加了约束。

ABSTRACT

Leptoquarks (LQs) are hypothetical bosons, each coupling to a lepton and a quark of a given generation. They recently got particular attention, as the "TeV-scale LQ" might explain observed anomalies reported by dedicated B physics experiments. In these proceedings, the recent progress of the direct searches on LQs at CMS experiment is presented. The results are based on a data sample of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded with the CMS detector corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb-1.

研究动机与目标

• 在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中搜索标量和矢量轻子荷夸克（LQs），动机源于 B 物理衰变中的异常现象。
• 检验 TeV 能量尺度的 LQs 是否可作为解释 B → K*μ⁺μ⁻ 衰变中观测到的 B 物理异常的解决方案。
• 通过重新诠释与 LQ 对产生和单态产生相关的 squark 和 gluino 搜索结果，提升对 LQ 的探测灵敏度。
• 将 LQ 搜索的覆盖范围扩展至包含顶夸克、底夸克和 τ 夸克的末态，包括带有缺失横向动量和 b 价夸克的末态。
• 对 LQ 质量和 Yukawa 耦合常数设置 95% 置信水平的排除极限，尤其针对可解释 B 物理异常的模型。

提出的方法

• 对 μμjj 和 μνjj 通道采用截断计数法，对 ST^μμjj、Mμμ 和 M^min_μj 施加优化的运动学截断，以提高信号与背景之比。
• 对于 ννjj、ννbb 和 ννtt 末态，重新诠释了先前的 squark/gluino 搜索，假设 LQ 对产生与 squark 的接受度相似。
• 在 ττtt 和 ττbb 通道中，分析使用了强子衰变的 τ leptons（τh），并施加了隔离和电荷要求，且至少要求一个 b 价喷注以增强顶夸克/底夸克信号特征。
• 背景通过数据驱动技术估计 QCD 多喷注过程，而 t¯t 和 Z+jets 背景则使用模拟样本，采用分箱的最大似然拟合方法进行信号提取。
• 通过结合多个末态（eτh、μτh、τhτh 和 eμ 控制区）的结果，以改善系统误差约束并提升灵敏度。
• 在 95% 置信水平下对 LQ 质量和分支比 β 设定排除极限，灵敏度取决于 Yukawa 耦合常数 λ。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMS 对衰变为二μ子或 μ+ν+ jets 的第二代轻子荷夸克的探测灵敏度如何？可设定的质量极限是多少？
• RQ2 对现有 squark 和 gluino 搜索结果的重新诠释，能在多大程度上约束标量和矢量轻子荷夸克对产生？
• RQ3 对衰变为 ττ 末态的第三代轻子荷夸克的限制，与 B 物理异常所青睐的参数空间相比如何？
• RQ4 对衰变为 τ 和 b 夸克的单态产生轻子荷夸克的排除极限是多少？它们如何约束 Yukawa 耦合常数 λ？
• RQ5 多个末态结果的综合分析如何提升对轻子荷夸克模型的整体探测灵敏度？

主要发现

• 对于 β = 1.0 的第二代标量轻子荷夸克，质量低于 1530 GeV 的情形在 95% 置信水平下被排除；对于 β = 0.5，排除质量限为 1285 GeV。
• 对于 λ = 1 且 β = 1 的第三代标量轻子荷夸克，基于 ττtt 末态，在 95% 置信水平下质量低于 750 GeV 的情形被排除。
• 对 squark/gluino 搜索的重新诠释，将标量和矢量 LQ 对产生的约束扩展至更高质量区域，其接受度与 squarks 相当。
• 在 ττbb 末态中的搜索设定了对衰变为 τ 和 b 夸克的 LQ 的限制，显著提升了 1–2 TeV 质量区间的探测灵敏度。
• 在所有通道中，观测数据与标准模型背景一致，未在所研究的 LQ 质量范围内发现显著过量。
• 综合结果开始对可能解释 B 物理异常的标量轻子荷夸克参数空间施加约束，尤其在 λ ≈ 0.95 ± 0.25 × m_LQ (TeV) 区域。