[论文解读] Search for central exclusive production of top quark pairs in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with tagged protons
本研究首次在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，通过标记的前向质子搜索了中心电荷顶夸克对产生过程。通过在CMS中央探测器中重建顶夸克，并利用CMS-TOTEM高精度质子谱仪探测完整质子，该分析在95%置信水平下将截面上限设定为0.59 pb，与标准模型预测一致，且对通过异常耦合或有效场论探测新物理具有敏感性。
A search for the central exclusive production of top quark-antiquark pairs ($\mathrm{t\bar{t}}$) is performed for the first time using proton-tagged events in proton-proton collisions at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data correspond to an integrated luminosity of 29.4 fb$^{-1}$. The $\mathrm{t\bar{t}}$ decay products are reconstructed using the central CMS detector, while forward protons are measured in the CMS-TOTEM precision proton spectrometer. An observed (expected) upper bound on the production cross section of 0.59 (1.14) pb is set at 95% confidence level, for collisions of protons with fractional momentum losses between 2 and 20%.
研究动机与目标
- 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索通过中心电荷过程产生的顶夸克对。
- 探究γγ融合机制作为中心电荷tt̄产生主要贡献的机制。
- 为中心电荷顶夸克对产生截面设定新的实验上限。
- 检验该过程对标准模型之外物理的敏感性，例如异常tγγ耦合或额外维度。
- 验证使用CMS-TOTEM高精度质子谱仪进行前向质子标记在稀有电荷过程中的适用性。
提出的方法
- 利用CMS中央探测器重建顶夸克衰变，重点关注二轻子和轻子+喷注末态。
- 使用CMS-TOTEM高精度质子谱仪（CT-PPS）探测具有2%至20%能量损失分数的完整质子。
- 应用事件选择标准，识别在中央探测器中具有两个前向质子和顶夸克衰变信号的事件。
- 使用蒙特卡洛模拟处理信号和背景过程，包括γγ → tt̄的NLO QCD修正。
- 通过粒子流重建和喷注聚类算法，应用堆叠抑制和喷注能量标定修正。
- 使用轮廓似然拟合进行统计建模，以在95%置信水平下设定截面的上限。
实验结果
研究问题
- RQ1在√s = 13 TeV的pp碰撞中，中心电荷顶夸克对产生截面的上限是多少？
- RQ2γγ融合机制在顶夸克对产生中对标准模型之外的新物理的敏感性如何？
- RQ3使用CT-PPS进行前向质子标记是否能够在当前LHC亮度下实现对稀有电荷过程（如tt̄产生）的观测？
- RQ4QED和QCD图在中心电荷tt̄产生中的贡献分别是什么，哪一种在可探测相空间中占主导？
- RQ5来自探测器重建和模拟的系统不确定性如何影响最终截面上限？
主要发现
- 观测到的中心电荷tt̄产生截面在95%置信水平下的上限为0.59 pb。
- 在标准模型背景仅假设下预期的上限为1.14 pb，表明具有中等显著性敏感度。
- 该分析设定了质子能量损失分数在2%至20%之间的截面上限，此范围与γγ融合占主导相关。
- 结果与标准模型对γγ → tt̄的预测值0.22 ± 0.05 fb一致，但目前尚不足以观测到信号。
- 本研究证明了利用前向质子标记探测LHC中电荷顶夸克对产生的可行性。
- 该方法为异常tγγ耦合及涉及顶夸克与光子相互作用的有效场论模型提供了敏感探测手段。
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