[论文解读] Overview of the vector-like quark searches with the LHC data collected by the ATLAS detector

J. P. Araque|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文全面综述了利用LHC第1轮和第2轮数据对矢量夸克（VLQ）的搜索结果，重点研究了在8 TeV和13 TeV质心系能量下夸克对和单产生产过程。报告指出，T夸克的质量排除极限最高达1.6 TeV，Y夸克达1.44 TeV，涵盖Wq、Zq和Hq衰变道，显著加强了对标准模型之外新物理的约束。

ABSTRACT

In 2012 the discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS collaborations set a milestone in particle physics by finding the missing piece of the Standard Model. Nonetheless some questions are still open: the origin of the mass of the neutrino and finding the missing candidate for dark matter are some examples. One of the main issues with the Standard Model is the hierarchy problem which appears when trying to go to high energy scales at which the theory cannot accommodate corrections large enough to explain the observed nature. Vector-like quarks appear naturally in some non-supersymmetric models which try to find a solution for this issue. The different searches for vector-like quarks within the ATLAS Collaboration using data collected at a centre-of-mass energy of 8 and 13~TeV with integrated luminosities of $20.3 m{~fb^{-1}}$ (8~TeV) and $3.2 m{~fb^{-1}}$ and $14.7 m{~fb^{-1}}$ (13~TeV) are discussed.

研究动机与目标

• 为在非超对称模型中解决层次问题，寻找矢量夸克（VLQ）作为解决方案。
• 通过高能LHC对撞中的夸克对和单产生产机制探测VLQ。
• 利用包含W、Z和希格斯玻色子衰变为喷注、轻子和缺失横向动量的末态，约束VLQ的质量和耦合。
• 通过聚焦多种衰变道（Wq、Zq、Hq）和末态拓扑结构（轻子+喷注、多轻子、同号轻子）提升探测灵敏度。
• 利用新的13 TeV数据更新并扩展第1轮结果，在95%置信水平下获得更优的排除极限。

提出的方法

• 采用多变量分析技术，从包含轻子、喷注和缺失横向动量的末态中区分信号与背景。
• 在Wb+X和Ht+X分析中定义正交信号区域（例如，喷注增强型和解析型）以提升灵敏度。
• 基于喷注和b夸克喷注数量、轻子种类、电荷及横向动量的事件选择标准，以分离VLQ衰变。
• 应用统计方法，在95%置信水平下设定截面乘以分支比及混合角的上限。
• 结合多个末态（如单轻子、零轻子、同号轻子）的结果，以提升整体灵敏度。
• 利用20.3 fb⁻¹（8 TeV）和最高达14.7 fb⁻¹（13 TeV）的积分亮度，以增强发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV LHC数据下，矢量夸克的最严格质量排除极限是多少？
• RQ2 不同末态（如轻子+喷注、多轻子、同号轻子）在各类VLQ衰变道中的灵敏度贡献如何？
• RQ3 与单轻子末态相比，包含零轻子和同号轻子末态在多大程度上提升了灵敏度？
• RQ4 矢量夸克与第三代夸克之间混合角|sinθ|的约束条件是什么？
• RQ5 在高能区，单产生产机制与对产生产机制在探测重矢量夸克方面有何差异？

主要发现

• 在13 TeV下使用13.2 fb⁻¹数据的Ht+X分析中，当BR(T→Ht) = 100%时，排除了T夸克质量高达1.6 TeV。
• 在单轻子Zt+X分析中，当BR(T→Zt) = 100%时，排除了T夸克质量高达1.14 TeV。
• 在Wb+X分析中，当BR(T→Wb) = 100%时，排除了T夸克质量高达1.1 TeV。
• 在同号轻子（SS）分析中，当BR = 100%时，分别排除了T、B和Y夸克质量高达0.78 TeV、0.83 TeV和0.99 TeV。
• 利用3.2 fb⁻¹的13 TeV数据进行单产分析，排除了Y夸克质量高达1.44 TeV。
• T夸克单态的|sinθ|上限最低可达0.3，最高可达0.7，具体取决于质量及分析通道。