[论文解读] Search for charged lepton-flavour violation in top-quark decays at the LHC with the ATLAS detector

C. A. Gottardo|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 12

一句话总结

本研究基于大型强子对撞机（LHC）ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的79.8 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，对顶夸克衰变中的带电轻子味违反（cLFV）进行了直接搜索。通过在包含三个带电轻子、一个喷注和一个b-喷注的事件中采用多变量提升决策树分析，该分析在95%置信水平下设定出$\mathcal{B}(t\to\ell\ell^{\prime}q) < 1.86 \times 10^{-5}$的上限，为迄今最灵敏的直接搜索结果。

ABSTRACT

A direct search for charged lepton-flavour violation in top-quark decays is presented. The data analysed correspond to $79.8\ ext{fb}^{-1}$ of proton--proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\ ext{TeV}$ recorded by the ATLAS experiment at the LHC. The process studied is the production of top-quark pairs, where one top quark decays into a pair of opposite-sign different-flavour charged leptons and an up-type quark, while the other decays semileptonically according to the Standard Model. The signature of the signal is thus characterised by the presence of three charged leptons, a light jet and a $b$-jet. A multivariate discriminant is deployed and its distribution used as input to extract the signal strength. In the absence of a signal, an upper limit on the branching ratio of ${\cal B}(t o \ell \ell' q) &lt; 1.86 imes 10^{-5}$ is set at the 95\% confidence level.

研究动机与目标

• 搜索顶夸克衰变中带电轻子味违反（cLFV）的信号，该现象是标准模型之外新物理的标志。
• 研究包含三个带电轻子、一个喷注和一个b-喷注的末态中cLFV在顶夸克衰变中的表现。
• 利用LHC 13 TeV运行期间的数据，对$t \to \ell\ell'q$的分支比设定直接实验上限。
• 通过数据驱动方法对非即时轻子背景进行建模，提升对cLFV的探测灵敏度。

提出的方法

• 分析使用了ATLAS探测器在$\sqrt{s} = 13$ TeV下收集的79.8 fb⁻¹ $pp$ 碰撞数据。
• 信号事件根据三个重建的带电轻子（电子或μ子）、至少两个喷注以及恰好一个b-标签喷注进行选择，且要求至少包含一个电子和一个μ子。
• 使用13个输入变量训练多变量提升决策树（BDT）判别器，以区分信号与背景，基于模拟事件。
• 背景通过结合模拟的即时轻子事件与数据驱动方法对$b$-和$c$-强子衰变产生的非即时轻子进行建模。
• 对非即时轻子背景和模拟样本均分配系统不确定性，其中前者为最主要的不确定性来源。
• 采用CL$_s$方法进行分箱的轮廓似然拟合，以在95%置信水平下设定信号强度的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于LHC数据，顶夸克衰变$t \to \ell\ell'q$中带电轻子味违反的分支比上限是多少？
• RQ2 在当前亮度和探测器性能条件下，ATLAS实验对顶夸克衰变中cLFV的探测灵敏度如何？
• RQ3 $b$-和$c$-强子衰变产生的非即时轻子在信号区域背景中贡献有多大？
• RQ4 在cLFV衰变顶点中包含或排除$\tau$轻子对搜索灵敏度有何影响？
• RQ5 系统不确定性（尤其是非即时轻子建模的不确定性）对最终上限有何影响？

主要发现

• 在95%置信水平下，$t \to \ell\ell'q$分支比的观测上限为$1.86 \times 10^{-5}$。
• 预期上限为$1.36^{+0.61}_{-0.37} \times 10^{-5}$，与观测上限一致。
• 当排除cLFV衰变顶点中的$\tau$轻子时，$e\mu q$末态的观测上限收紧至$6.6 \times 10^{-6}$。
• 在不包含$\tau$轻子的$e\mu q$末态中，预期上限为$4.8^{+2.1}_{-1.4} \times 10^{-6}$，表明灵敏度有所提升。
• 非即时轻子背景贡献显著，其总背景产率的不确定性为10%，对观测上限的影响达9%。
• BDT判别器有效分离了信号与背景，且信号区域的数据与标准模型预测一致。