[论文解读] Search for Scalar Leptoquarks Produced via $τ$-Lepton–Quark Scattering in pp Collisions at $\sqrt s$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2361 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 67被引用 1

一句话总结

本论文首次利用CMS探测器收集的138 fb⁻¹数据，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索了通过τ轻子-夸克散射产生的标量轻子胶子子。研究设定了轻子胶子子产生截面与分支比乘积的限制，对于某些耦合情况，排除了高达2.0 TeV的轻子胶子子质量，标志着大型强子对撞机（LHC）上首次对轻子诱导的轻子胶子子产生模式进行探索。

ABSTRACT

The first search for scalar leptoquarks produced in $τ$-lepton-quark collisions is presented. It is based on a set of proton-proton collision data recorded with the CMS detector at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The reconstructed final state consists of a jet, significant missing transverse momentum, and a $τ$ lepton reconstructed through its hadronic or leptonic decays. Limits are set on the product of the leptoquark production cross section and branching fraction and interpreted as exclusions in the plane of the leptoquark mass and the leptoquark-$τ$-quark coupling strength.

研究动机与目标

• 探索在大型强子对撞机（LHC）质子-质子碰撞中，通过τ轻子-夸克散射产生标量轻子胶子子的先前未被探索的产生模式。
• 检验轻子胶子子与第三代夸克和轻子耦合可能解释B介子衰变中异常现象的假设。
• 利用包含喷注、缺失横向动量和τ轻子的末态，设定轻子胶子子产生截面与分支比的实验限制。
• 验证理论预测：由于质子中轻子部分密度函数（PDFs）的存在，轻子诱导的轻子胶子子产生可产生显著的截面。
• 通过这一新型产生通道，首次提供标量轻子胶子子与τ轻子及轻味（u, d, s）或b夸克耦合的直接实验约束。

提出的方法

• 利用大型强子对撞机（LHC）在√s = 13 TeV下的质子-质子碰撞数据，对应于CMS探测器收集的138 fb⁻¹积分亮度。
• 重建包含高横向动量喷注、显著缺失横向动量（pTmiss）以及通过强子或轻子模式衰变的τ轻子的末态。
• 采用粒子流算法重建粒子，整合了追踪、电磁和强子量能器的信息。
• 使用POWHEG在NLO下生成信号事件，并通过HERWIG进行部分子辐射，引入基于LUX方法导出的LUXLEP轻子PDF。
• 使用MADGRAPH5 aMC@NLO模拟矢量玻色子+喷注和双玻色子过程的背景，POWHEG模拟顶夸克对和单顶夸克，PYTHIA 8.240用于部分子辐射和τ衰变，采用CP5调谐。
• 应用喷注b标签和轻子识别标准定义分析类别，信号效率与接受度由模拟结果得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据近期理论模型预测，标量轻子胶子子是否可在√s = 13 TeV的pp碰撞中通过τ轻子-夸克散射产生？
• RQ2 对于这一新型产生模式，轻子胶子子产生截面与分支比乘积的实验限制是什么？
• RQ3 轻子胶子子与τ轻子之间的耦合强度，以及与夸克味（u, d, s, b）的组合，如何影响该搜索的灵敏度？
• RQ4 来自光子诱导过程的前向、低pT轻子的存在，在多大程度上可将此产生模式与标准轻子胶子子产生机制区分开来？
• RQ5 在质量范围0.6–3.0 TeV内，观测数据能否排除各种耦合强度下的标量轻子胶子子假设？

主要发现

• 首次在大型强子对撞机（LHC）上成功执行了通过τ轻子-夸克散射在pp碰撞中产生标量轻子胶子子的实验搜索。
• 在轻子胶子子质量与耦合强度的平面上设定了排除限值，当Yukawa耦合常数λ ≥ 1.0时，排除了与uτ和dτ夸克耦合的标量轻子胶子子，质量上限达2.0 TeV。
• 对于bτ耦合，基于信号模型与背景估计，分析排除了λ ≥ 1.0时质量高达1.8 TeV的轻子胶子子。
• 该搜索对uτ和dτ末态的耦合强度灵敏度可达λ = 0.5，对应质量接近1.0 TeV时的截面限值低于1 fb。
• 结果与无信号事件一致，未在预期背景之上观测到显著过量。
• 该分析首次提供了通过轻子诱导过程产生轻子胶子子的直接实验约束，验证了基于LUXLEP PDF的理论预测。