[论文解读] Search for heavy resonances and quantum black holes in e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2355 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本研究利用大型强子对撞机（LHC）CMS实验在√s = 13 TeV下获取的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，搜索了重共振态和量子黑洞在eµ、eτ及µτ末态中的轻子味破坏（LFV）衰变。未观测到与标准模型存在显著偏离，因此获得了迄今为止最严格的排除极限：在eµ通道中，共振态τ sneutrino被排除至4.2 TeV，Z′玻色子被排除至5.0 TeV，量子黑洞被排除至5.6 TeV，其他通道亦获得类似极限。

ABSTRACT

A search is reported for heavy resonances and quantum black holes decaying into e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ final states in proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC during 2016-2018 at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The e$\mu$, e$ au$, and $\mu au$ invariant mass spectra are reconstructed, and no evidence is found for physics beyond the standard model. Upper limits are set at 95% confidence level on the product of the cross section and branching fraction for lepton flavor violating signals. Three benchmark signals are studied: resonant $ au$ sneutrino production in $R$ parity violating supersymmetric models, heavy Z' gauge bosons with lepton flavor violating decays, and nonresonant quantum black hole production in models with extra spatial dimensions. Resonant $ au$ sneutrinos are excluded for masses up to 4.2 TeV in the e$\mu$ channel, 3.7 TeV in the e$ au$ channel, and 3.6 TeV in the $\mu au$ channel. A Z' boson with lepton flavor violating couplings is excluded up to a mass of 5.0 TeV in the e$\mu$ channel, up to 4.3 TeV in the e$ au$ channel, and up to 4.1 TeV in the $\mu au$ channel. Quantum black holes in the benchmark model are excluded up to the threshold mass of 5.6 TeV in the e$\mu$ channel, 5.2 TeV in the e$ au$ channel, and 5.0 TeV in the $\mu au$ channel. In addition, model-independent limits are extracted to allow comparisons with other models for the same final states and similar event selection requirements. The results of these searches provide the most stringent limits available from collider experiments for heavy particles that undergo lepton flavor violating decays.

研究动机与目标

• 通过高能eµ、eτ和µτ末态中的轻子味破坏衰变，寻找标准模型之外的新物理。
• 检验关键的理论模型，包括R-奇偶性破坏的超对称、重Z′规范玻色子以及额外维度中的量子黑洞。
• 利用完整的Run 2 LHC数据集，设定模型无关和基准特定的排除极限。
• 通过充分利用在√s = 13 TeV下收集的全部138 fb⁻¹积分亮度，提升探测灵敏度。
• 为重共振态和量子黑洞的LFV衰变提供迄今最严格的对撞机约束。

提出的方法

• 从√s = 13 TeV下的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据中重建eµ、eτ和µτ末态的不变质量谱。
• 应用严格的事件选择标准以抑制标准模型背景，包括对轻子隔离、运动学特性和缺失横向动量的要求。
• 使用蒙特卡洛模拟对信号和背景过程进行建模，包括通过CalcHEP生成信号，并使用POWHEG和PYTHIA进行部分子喷注匹配。
• 采用数据驱动方法和模拟估算主要的SM背景（如Drell-Yan、顶夸克对、二体规范玻色子），
• 对信号和背景估计应用系统误差修正，包括探测器能量分辨率、能量标度和轻子识别效率。
• 采用Profile-likelihood比值方法进行统计假设检验，以设定95%置信水平下截面乘以分支比的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，对产生衰变为eµ、eτ和µτ末态的重共振态，迄今最严格的限制是什么？
• RQ2 当前LHC数据能将包含τ sneutrino产生的R-奇偶性破坏超对称模型排除到何种程度？
• RQ3 在95%置信水平下，具有轻子味破坏耦合的Z′玻色子最大可被排除的质量是多少？
• RQ4 在额外维度模型中，量子黑洞的产生截面与观测数据相比如何？
• RQ5 适用于具有相似末态和选择标准的新物理情景的模型无关排除极限是什么？

主要发现

• 在eµ、eτ或µτ不变质量谱中未观测到显著过量，表明在这些末态中未发现标准模型之外的新物理证据。
• 在95%置信水平下，eµ通道中共振态τ sneutrino被排除至4.2 TeV，eτ通道中为3.7 TeV，µτ通道中为3.6 TeV。
• 在95%置信水平下，具有轻子味破坏耦合的Z′玻色子在eµ通道中被排除至5.0 TeV，eτ通道中为4.3 TeV，µτ通道中为4.1 TeV。
• 在基准模型中，量子黑洞在eµ通道中被排除至5.6 TeV的阈值质量，eτ通道中为5.2 TeV，µτ通道中为5.0 TeV。
• 本分析为高能双轻子末态中LFV衰变的截面与分支比乘积设定了迄今最严格的限制。
• 提取了模型无关的上限，以支持在相似运动学和选择标准下与其他理论模型和实验搜索的直接比较。