[论文解读] Search for pair production of vector-like quarks in leptonic final states in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文利用CMS实验在√s = 13 TeV质子-质子碰撞中获得的138 fb⁻¹数据，搜索了矢量规管T和B夸克的对产生。通过采用单轻子、同号双轻子及多轻子末态，并结合先进的多层神经网络与喷流识别技术，该研究设定了迄今为止最强的排除极限，于95%置信水平下排除了T夸克质量高达1.54 TeV、B夸克质量高达1.56 TeV的可能，尤其对涉及顶夸克的衰变模式高度敏感。

ABSTRACT

A search is presented for vector-like T and B quark-antiquark pairs produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. Data were collected by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016-2018, with an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events are separated into single-lepton, same-sign charge dilepton, and multilepton channels. In the analysis of the single-lepton channel a multilayer neural network and jet identification techniques are employed to select signal events, while the same-sign dilepton and multilepton channels rely on the high-energy signature of the signal to distinguish it from standard model backgrounds. The data are consistent with standard model background predictions, and the production of vector-like quark pairs is excluded at 95% confidence level for T quark masses up to 1.54 TeV and B quark masses up to 1.56 TeV, depending on the branching fractions assumed, with maximal sensitivity to decay modes that include multiple top quarks. The limits obtained in this search are the strongest limits to date for $\mathrm{T\overline{T}}$ production, excluding masses below 1.48 TeV for all decays to third generation quarks, and are the strongest limits to date for $\mathrm{B\overline{B}}$ production with B quark decays to tW.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索矢量规管T和B夸克的对产生。
• 提升对重矢量规管夸克衰变（尤其是涉及顶夸克或W玻色子的衰变）的探测灵敏度。
• 利用多轻子末态，设定迄今为止最严格的矢量规管夸克对产生排除极限。
• 利用先进的机器学习与喷流识别技术，提升信号探测的灵敏度。

提出的方法

• 利用LHC在2016–2018年期间由CMS实验收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 分析三种末态：单轻子、同号双轻子及多轻子（≥3个轻子）。
• 在单轻子末态中，采用多层神经网络与喷流识别技术以增强信号选择效率。
• 依赖高能末态特征，以在同号与多轻子末态中区分信号与标准模型背景。
• 使用POWHEG与MadGraph生成器生成的模拟事例，并通过PYTHIA 8进行部分子簇射匹配，以模拟信号与背景过程。
• 在各末态中应用系统性不确定性的处理方法，包括能量标度、PDF及喷流能量校准，以实现联合极限设定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV质子-质子碰撞中，检测矢量规管T和B夸克对产生的最敏感末态是什么？
• RQ2 多层神经网络与喷流识别技术如何提升单轻子末态中的信号灵敏度？
• RQ3 针对不同的衰变分支比，矢量规管夸克质量的最强排除极限是多少？
• RQ4 与以往搜索相比，本研究在质量覆盖范围与探测灵敏度方面有何提升？
• RQ5 涉及顶夸克或W玻色子的衰变在搜索灵敏度中占多大程度的主导作用？

主要发现

• 数据与标准模型背景预测一致，未观测到显著过量。
• 在95%置信水平下，根据假设的分支比，排除了质量高达1.54 TeV的矢量规管T夸克对产生。
• 在95%置信水平下，排除了质量高达1.56 TeV的矢量规管B夸克对产生，对涉及顶夸克的衰变模式具有最大灵敏度。
• 本研究设定了迄今为止最强的TT对产生排除极限，对所有衰变为第三代夸克的模式，排除了低于1.48 TeV的质量。
• 对于BB对产生且B夸克衰变为tW的模式，其排除极限为迄今最强，排除了低于1.56 TeV的质量。
• 结果优于以往的LHC搜索，尤其在高质质量区段以及包含多个顶夸克的末态中表现更优。