[论文解读] Search for a third-generation leptoquark coupled to a $ au$ lepton and a b quark through single, pair, and nonresonant production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2373 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 141被引用 2

一句话总结

本论文利用CMS探测器在√s = 13 TeV质子-质子碰撞中采集的138 fb⁻¹数据，搜索了与τ轻子和b夸克耦合的第三代轻子球子（LQs）。研究涵盖了单个、成对及非共振t通道LQ产生过程，在LQ质量为2 TeV、耦合常数λ = 2.5时，观测到2.8σ的局部显著性过剩；对于耦合常数最大达2.5的情况，标量/矢量LQ的排除质量阈值为1.22–1.88 TeV，非共振过程的极限可达2.3 TeV。

ABSTRACT

A search is presented for a third-generation leptoquark (LQ) coupled exclusively to a $ au$ lepton and a b quark. The search is based on proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded with the CMS detector, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events with $ au$ leptons and a varying number of jets originating from b quarks are considered, targeting the single and pair production of LQs, as well as nonresonant $t$-channel LQ exchange. An excess is observed in the data with respect to the background expectation in the combined analysis of all search regions. For a benchmark LQ mass of 2 TeV and an LQ-b-$ au$ coupling strength of 2.5, the excess reaches a local significance of up to 2.8 standard deviations. Upper limits at the 95% confidence level are placed on the LQ production cross section in the LQ mass range 0.5-2.3 TeV, and up to 3 TeV for $t$-channel LQ exchange. Leptoquarks are excluded below masses of 1.22-1.88 TeV for different LQ models and varying coupling strengths up to 2.5. The study of nonresonant $ au au$ production through $t$-channel LQ exchange allows lower limits on the LQ mass of up to 2.3 TeV to be obtained.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索仅与τ轻子和b夸克耦合的第三代轻子球子（LQs）。
• 在单一统一分析中探测单个、成对及非共振t通道LQ产生机制。
• 通过LQ介导的贡献解释B → Dτν和B → D*τν衰变中的异常现象。
• 为各种LQ模型设定迄今为止最严格的LQ产生截面和质量阈值限制。

提出的方法

• 利用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 分析多种衰变道：完全强子道（τhτh）、半轻子道（eτh, µτh）和完全轻子道（eµ, µµ）的τ轻子衰变。
• 根据高pT喷流的存在与否及b夸克喷流标记情况，对事件进行分类，以区分共振（单个/成对）与非共振（t通道）产生。
• 通过在喷流丰富区域对标量总横向动量（H_T）和在无喷流区域对角分布的联合拟合，提取信号。
• 采用先进的对象重建技术，包括粒子流重建、基于深度神经网络的τ和b夸克喷流识别，以及喷流能量校准。
• 对喷流能量标度、τ识别、b标记效率和亮度等系统不确定度应用校正，并对标准模型背景进行统计建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMS实验对以τ和b夸克衰变的第三代轻子球子在单个、成对及非共振t通道产生过程中的探测灵敏度如何？
• RQ2 观测数据是否在标准模型预期之上表现出与轻子球子信号一致的显著过剩？
• RQ3 对于不同耦合强度，标量和矢量轻子球子的产生截面上限和排除质量阈值的最严格限制是什么？
• RQ4 非共振t通道LQ交换如何贡献于ττ末态？从该通道可设定多高的质量限制？
• RQ5 在2 TeV LQ质量处观测到的2.8σ局部过剩是否可归因于新物理信号，还是与背景涨落一致？

主要发现

• 在基准LQ质量为2 TeV、耦合强度λ = 2.5时，联合分析区域中观测到2.8个标准差的局部过剩。
• 在0.5至2.3 TeV质量范围内，为LQ产生截面设定了95%置信水平的上限，其中非共振t通道的极限可延伸至3 TeV。
• 对于耦合强度最大达λ = 2.5的情况，标量和矢量轻子球子在1.22–1.88 TeV质量范围内被排除，具体取决于模型。
• 通过t通道LQ交换导致的非共振ττ产生，设定了高达2.3 TeV的LQ质量下限。
• 本分析优于以往ATLAS和CMS的限制，尤其在非共振产生方面，对于λ = 2.5时的矢量LQ，排除范围提升至2.05 TeV。
• 结果为13 TeV LHC数据中第三代轻子球子与τ和b夸克耦合提供了迄今为止最全面、最严格的约束。