[论文解读] Search for pair-produced vector-like leptons in final states with third-generation leptons and at least three b quark jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, W. Erdmann+2369 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用 2

一句话总结

本论文利用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的96.5 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，首次在4321模型中搜索了矢量型轻子（VLLs）。研究聚焦于至少包含三个b夸克喷注和两个第三代轻子（τ、ντ或ℓτ）的末态，在600 GeV的VLL质量下观测到2.8σ的信号偏好，且观测到的上限值约为预期上限的两倍，这是由于局部过剩所致。

ABSTRACT

The first search is presented for vector-like leptons (VLLs) in the context of the '4321 model', an ultraviolet-complete model with the potential to explain existing B physics measurements that are in tension with standard model predictions. The analyzed data, corresponding to an integrated luminosity of 96.5 fb$^{-1}$, were recorded in 2017 and 2018 with the CMS detector at the LHC in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ =13 TeV. Final states with ${\geq}$3 b-tagged jets and two third-generation leptons ($ au au$, $ au u_ au$, or $ u_ au u_ au$) are considered. Upper limits are derived on the VLL production cross section in the VLL mass range 500-1050 GeV. The maximum likelihood fit prefers the presence of signal at the level of 2.8 standard deviations, for a representative VLL mass point of 600 GeV. As a consequence, the observed upper limits are approximately double the expected limits.

研究动机与目标

• 在标准模型的紫外完备扩展——4321模型背景下，搜索成对产生的矢量型轻子（VLLs），该模型可解释B介子衰变中的异常现象。
• 探测至少包含三个b夸克喷注和两个第三代轻子（ττ、τντ或ντντ）的末态，这些末态在无轻子偶素的VLL模型中尚未被现有搜索覆盖。
• 在500–1050 GeV质量范围内，推导VLL产生截面的上限，考虑通过矢量轻子偶素的电弱产生和衰变过程。
• 评估观测数据与信号存在的相容性，特别是在R(D)和R(D*)测量存在张力的背景下。

提出的方法

• 本分析使用CMS探测器在2017年和2018年于√s = 13 TeV下收集的96.5 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 事件根据高b喷注多重性（≥3个b标记喷注）和包含两个第三代轻子（τ、ντ或ℓτ）的末态进行选择，重点聚焦于全 hadronic 拓扑结构。
• 根据τ轻子多重性（0、1或2个τ轻子）将事件样本划分为信号区（SRs）和控制区（CRs），每类均设有专门的选择标准。
• 对所有τ多重性类别（包括SRs和CRs）进行联合最大似然拟合，以提取信号强度并设定VLL产生截面的上限。
• 拟合考虑了顶夸克对产生、Drell-Yan和多喷注过程的背景贡献，背景通过模拟和数据驱动方法进行建模。
• 4321模型预测VLL通过矢量轻子偶素衰变为第三代费米子，主要衰变模式为b夸克与τ轻子或中微子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含≥3个b标记喷注和两个第三代轻子的末态中，观测数据是否显示出4321模型中成对产生矢量型轻子的证据？
• RQ2 在给定数据下，500至1050 GeV质量范围内VLL产生截面的上限是多少？
• RQ3 是否存在显著偏离标准模型背景预测的情况，可能表明存在信号？
• RQ4 观测到的上限与预期上限相比如何？这对其潜在信号的重要性有何启示？

主要发现

• 最大似然拟合显示，在600 GeV这一代表性VLL质量点处，存在2.8σ的信号偏好，表明数据中存在局部过剩。
• 观测到的VLL产生截面上限约为预期上限的两倍，暗示与仅含背景的假设存在张力。
• 本分析在500–1050 GeV质量范围内设定了VLL产生截面的上限，观测到的上限在600 GeV质量点处超过预期上限的两倍。
• 包含两个τ轻子和四个b喷注的信号区显示出中等程度的过剩，对整体信号偏好有贡献。
• 即使包含Z′玻色子贡献，结果仍具鲁棒性，因不同产生模式下的预期信号强度保持一致。
• 本研究首次对4321模型中的VLL进行了直接搜索，预计对其他具有Pati–Salam轻子偶素并解释B介子异常的模型也具有相关性。