[论文解读] Search for single production of a vector-like $T$ quark decaying into a Higgs boson and top quark with fully hadronic final states using the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该ATLAS实验在LHC上利用139 fb⁻¹的13 TeV质子-质子碰撞数据，对一个矢量型T夸克在完全强子末态中单产生成Higgs玻色子与顶夸克的过程进行了搜索。未观测到显著过量，因此在95%置信水平下对产生截面设定了上限，耦合常数上限随T夸克质量从1.07 TeV增至2.3 TeV而从0.35上升至1.6。

ABSTRACT

A search is made for a vector-like $T$ quark decaying into a Higgs boson and a top quark in 13 TeV proton-proton collisions using the ATLAS detector at the Large Hadron Collider with a data sample corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The Higgs-boson and top-quark candidates are identified in the all-hadronic decay mode, where $H o b\bar{b}$ and $t o b W o b q \bar{q}^\prime$ are reconstructed as large-radius jets. The candidate Higgs boson, top quark, and associated B-hadrons are identified using tagging algorithms. No significant excess is observed above the background, so limits are set on the production cross-section of a singlet $T$ quark at 95% confidence level, depending on the mass, $m_T$, and coupling, $κ_T$, of the vector-like $T$ quark to Standard Model particles. In the considered mass range between 1.0 and 2.3 TeV, the upper limit on the allowed coupling values increases with $m_T$ from a minimum value of 0.35 for 1.07 < $m_T$ < 1.4 TeV to 1.6 for $m_T$ = 2.3 TeV.

研究动机与目标

• 在完全强子末态中搜索一个矢量型T夸克衰变为Higgs玻色子与顶夸克。
• 利用LHC上的ATLAS探测器，探测标准模型之外的重矢量型夸克的存在。
• 基于观测数据，对T夸克的产生截面和耦合强度施加约束。
• 改进对顶夸克扇区扩展及其在高能碰撞中唯象信号的理解。

提出的方法

• 使用喷注子结构技术，将Higgs玻色子和顶夸克候选者重建为大径向喷注。
• 应用专用的b夸克标记和Higgs标记算法，以识别b夸克及Higgs玻色子衰变为b夸克对的过程。
• 利用运动学重建技术识别T夸克衰变拓扑结构：T → Ht → bbb̄bq q̄′，其中H → bb̄。
• 应用多变量分析技术，以区分信号事件与主导的QCD和顶夸克背景。
• 通过轮廓似然拟合，提取95%置信水平下对信号截面的上限。
• 评估耦合常数上限在1.0–2.3 TeV质量范围内的变化趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完全强子末态中，一个矢量型T夸克衰变为Higgs玻色子与顶夸克的产生截面的上限是多少？
• RQ2 在1.0–2.3 TeV质量范围内，T夸克与标准模型粒子的耦合强度如何随其质量变化？
• RQ3 ATLAS探测器能否在139 fb⁻¹的13 TeV数据中观测到T夸克在H + t衰变道中的信号？
• RQ4 此搜索中完全强子末态下的主要背景是什么，以及如何对其进行压制？
• RQ5 Higgs和顶夸克的标记算法如何提升在全强子拓扑结构中的灵敏度？

主要发现

• 在139 fb⁻¹的数据样本中，未观测到超出预期背景的显著过量。
• 在1.07至2.3 TeV的质量范围内，对T夸克产生截面的上限在95%置信水平下被设定。
• 随着T夸克质量从1.07 TeV增至2.3 TeV，耦合常数上限κ_T从0.35上升至1.6。
• 通过先进的喷注子结构与Higgs及顶夸克标记技术，该分析显著提升了灵敏度。
• 结果对具有扩展顶夸克扇区的模型中矢量型T夸克的参数空间施加了约束。
• 观测到的限制与现有搜索结果具有可比性，并在高质质量区域提供了新的约束。