[论文解读] Search for singly produced vector-like top partners in multilepton final states with 139 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $pp$ collision data at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2972 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用ATLAS实验在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，搜索了通过电弱过程单产的矢量型顶伙伴（T）衰变为Z玻色子和顶夸克的信号。未观测到显著过量，因此在95%置信水平下设定了排除极限：对于单态T夸克，质量为1000–1975 GeV时，耦合常数κ在0.22至0.64之间被排除；对于双态T夸克，质量为1000–1425 GeV时，κ在0.54至0.88之间被排除。

ABSTRACT

A search for the single production of a vector-like top partner ($T$) decaying into a $Z$ boson and a top quark is presented, using the full Run 2 dataset corresponding to 139 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV, collected in 2015-2018 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The targeted final state is characterized by the presence of a pair of electrons or muons with opposite-sign charges which form a $Z$-boson candidate, as well as by the presence of $b$-tagged jets and forward jets. Events with exactly two or at least three leptons are categorized into two independently optimized analysis channels. No significant excess above the background expectation is observed and the results from the two channels are statistically combined to set exclusion limits at 95% confidence level on the masses and couplings of $T$ for different benchmark models and generalized branching ratio scenarios.

研究动机与目标

• 在多重轻子末态中搜索通过电弱过程单产的矢量型顶伙伴（T）衰变为Z玻色子和顶夸克的信号。
• 利用完整的Run 2数据集（139 fb⁻¹，√s = 13 TeV）探测标准模型之外的重矢量型夸克的存在。
• 对T夸克在单态与双态表示下的质量与耦合强度（κ）设定模型无关的排除极限。
• 通过优化的二轻子（2ℓ）与三轻子（3ℓ）末态分析，提升对矢量型夸克耦合的约束能力。
• 通过电弱产生与衰变信号特征，检验矢量型夸克模型在解决层次问题中的可行性。

提出的方法

• 本分析使用ATLAS探测器在2015–2018年期间收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据（√s = 13 TeV）。
• 事件被划分为两个独立通道：二轻子通道（恰好两个异号轻子）与三轻子通道（至少三个轻子），每个通道均针对灵敏度进行了优化。
• 末态包含来自异号轻子对的Z玻色子候选，来自顶夸克衰变的b夸克喷注，以及用于增强信号区分度的前向喷注。
• 通过电弱过程（W T Z t与Z T Z t图）模拟不同T夸克质量（1.0–2.7 TeV）与耦合强度（κ）的信号模型。
• 利用数据驱动方法与蒙特卡罗模拟估算标准模型过程的背景，控制区域用于验证建模精度。
• 通过轮廓似然比检验评估统计显著性，并采用混合方法合并两个通道的结果，以设定95%置信水平的排除极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电弱相互作用单产假设下，矢量型顶伙伴（T）在单态表示下的质量与耦合强度（κ）的排除极限是什么？
• RQ2 与单态相比，双态表示下T夸克耦合的排除极限有何不同，尤其是在产生截面显著较低的情况下？
• RQ3 包含b夸克标记与前向喷注的多重轻子末态在提升对单产T夸克探测灵敏度方面能增强多少？
• RQ4 二轻子与三轻子通道在单独及联合使用时，对探测质量高于1 TeV的T夸克的灵敏度如何？
• RQ5 这些结果在多大程度上约束了通过矢量型夸克稳定希格斯玻色子质量的模型？

主要发现

• 在二轻子与三轻子分析通道中，均未观测到显著超出标准模型背景的过量信号。
• 联合分析在95%置信水平下设定了对矢量型顶伙伴（T）质量与耦合强度（κ）的排除极限，其中单态表示下的约束最强。
• 对于单态T夸克，质量在1000 GeV至1975 GeV之间时，κ值在0.22至0.64之间被排除。
• 对于双态T夸克，由于产生截面显著较低，质量在1000 GeV至1425 GeV之间时，κ值在0.54至0.88之间被排除。
• 本结果是迄今使用完整Run 2数据集对单产模式下矢量型顶伙伴设定的最严格约束。
• 本研究展示了包含b夸克标记与前向喷注的多重轻子末态在大型强子对撞机上探测高能矢量型夸克的有效性。