[论文解读] Search for pair-production of vector-like quarks in $pp$ collision events at $\sqrt{s}=13$ TeV with at least one leptonically decaying $Z$ boson and a third-generation quark with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2880 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究利用 ATLAS 探测器在 √s = 13 TeV 的 pp 碰撞数据（139 fb⁻¹）中，搜索了由向量规范类顶夸克（T）和底夸克（B）组成的对产生过程，目标末态包含一个轻子衰变的 Z 玻色子、b 价喷注以及高 pT 的大半径喷注。未观测到显著过量，因此得出目前最严格的 95% 置信水平排除极限：当分支比分别为 100% 时，m_T > 1.60 TeV 且 m_B > 1.42 TeV。

ABSTRACT

A search for the pair-production of vector-like quarks optimized for decays into a Z boson and a third-generation Standard Model quark is presented, using the full Run 2 dataset corresponding to 139fb−1 of pp collisions at s=13TeV, collected in 2015–2018 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The targeted final state is characterized by the presence of a Z boson with high transverse momentum, reconstructed from a pair of same-flavour leptons with opposite-sign charges, as well as by the presence of b-tagged jets and high-transverse-momentum large-radius jets reconstructed from calibrated smaller-radius jets. Events with exactly two or at least three leptons are used, which are further categorized by the presence of boosted W, Z, and Higgs bosons and top quarks. The categorization is performed using a neural-network-based boosted object tagger to enhance the sensitivity to signal relative to the background. No significant excess above the background expectation is observed and exclusion limits at 95% confidence level are set on the masses of the vector-like partners T and B of the top and bottom quarks, respectively. The limits depend on the branching ratio configurations and, in the case of 100% branching ratio for T→Zt and 100% branching ratio for B→Zb, this search sets the most stringent limits to date, allowing mT>1.60TeV and mB>1.42TeV, respectively.

研究动机与目标

• 在包含一个轻子衰变 Z 玻色子和第三代夸克的末态中，搜索向量规范类夸克（T 和 B）的对产生过程。
• 通过使用基于神经网络的强子喷注标签器，提高对来自强子化 W、Z、希格斯及顶夸克喷注的识别能力，从而提升灵敏度。
• 针对各种分支比配置，设定向量规范类夸克质量的最严格排除极限，特别是 100% 分支比到 Zt 和 Zb 的情况。
• 检验标准模型的扩展模型，如复合希格斯和小希格斯模型，这些模型预测向量规范类夸克可稳定希格斯玻色子质量。
• 利用完整的 Run 2 数据集（139 fb⁻¹）提升灵敏度，超越以往在相同末态中的 ATLAS 搜索结果。

提出的方法

• 事件选择标准包括：来自 Z 玻色子衰变的至少两个相同味、相反电荷的轻子（e⁺e⁻ 或 μ⁺μ⁻），b 价喷注，以及高横动量的大半径喷注。
• 大半径喷注通过喷注聚类算法从校准的小半径喷注中重建，并利用多变量神经网络标签器对来自强子化 W、Z、希格斯及顶夸克衰变的喷注进行标记。
• 根据是否存在强子喷注及轻子多重性（2 个或 ≥3 个轻子）对事件进行分类，以增强对信号的灵敏度，同时抑制背景。
• 在多个事件类别中执行最大似然拟合，以提取信号显著性并设定排除极限。
• 系统误差评估涵盖喷注能量标度、轻子重建与识别、b 价效率以及背景建模等方面。
• 分析假设向量规范类夸克对为强力产生，电弱贡献可忽略不计，且不同分支比配置下的信号动量构型相似。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于 100% 分支比到 Zt 和 Zb 的情况，向量规范类顶夸克和底夸克质量的最严格排除极限是什么？
• RQ2 在包含一个 Z 玻色子和第三代夸克的末态中，引入强子喷注标签技术如何提升对向量规范类夸克信号的灵敏度？
• RQ3 对于具有单态或二重态表示的向量规范类夸克模型，特别是中间分支比的情况下，可以施加哪些约束？
• RQ4 与以往 ATLAS 及 LHC 在类似末态中的搜索相比，本研究在质量探测范围方面有何差异？
• RQ5 在高多重性、高 pT 末态中，使用多变量神经网络标签器在多大程度上减少了背景贡献并增强了信号灵敏度？

主要发现

• 在全部 139 fb⁻¹ 数据中，未观测到超出标准模型背景预期的显著过量。
• 对于 100% 分支比到 Zt 的情况，向量规范类顶夸克质量的 95% 置信水平排除极限为 m_T > 1.60 TeV。
• 对于 100% 分支比到 Zb 的情况，向量规范类底夸克质量的 95% 置信水平排除极限为 m_B > 1.42 TeV。
• 这些极限是目前针对 T→Zt 和 B→Zb 衰变道最严格的约束。
• 本分析通过引入强子喷注标签技术和优化的分类方案，相较以往 ATLAS 在相同末态中的搜索结果实现了灵敏度提升。
• 结果对包含向量规范类夸克以稳定希格斯玻色子质量的模型（如复合希格斯和小希格斯模型）施加了约束，尤其在单态和二重态表示中。