[论文解读] Search for W' bosons decaying to a top and a bottom quark in leptonic final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2369 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用 2

一句话总结

本研究利用 CMS 探测器在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 数据，搜索质子-质子碰撞中衰变为顶夸克和底夸克的 W′ 玻色子。未观测到显著过量；在窄宽度假设下，95% 置信水平的上限排除了质量低于 3.9 TeV 的左旋 W′ 玻色子和质量低于 4.3 TeV 的右旋 W′ 玻色子，且灵敏度扩展至宽度达 30% 的范围。

ABSTRACT

A search for W' bosons decaying to a top and a bottom quark in final states including an electron or a muon is performed with the CMS detector at the LHC. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 Tev. Good agreement with the standard model expectation is observed and no evidence for the existence of the W' boson is found over the mass range examined. The largest observed deviation from the standard model expectation is found for a W' boson mass ($m_\mathrm{W'}$) hypothesis of 3.8 TeV with a relative decay width of 1%, with a local (global) significance of 2.6 (2.0) standard deviations. Upper limits on the production cross sections of W' bosons decaying to a top and a bottom quark are set. Left- and right-handed W' bosons with $m_\mathrm{W'}$ below 3.9 and 4.3 TeV, respectively, are excluded at the 95% confidence level, under the assumption that the new particle has a narrow decay width. Limits are also set for relative decay widths up to 30%. These are the most stringent limits to date on this W' boson decay channel.

研究动机与目标

• 在包含电子或缪子的末态中，搜索衰变为顶夸克和底夸克的 W′ 玻色子，探测多 TeV 范围的质量。
• 将现有搜索的覆盖范围扩展至超过 3 TeV，重点关注具有轻子衰变的高能顶夸克。
• 探索广泛的 W′ 玻色子宽度（1% 至 30%）和手征性（左旋与右旋），从而可在多种新物理模型中进行解释。
• 在宽度和手征性假设变化的情况下，设定 W′ 产生截面的上限，以加强对新规范玻色子的约束。
• 解决宽宽度情形下非本征态 W′ 产生的挑战，此时标准重建技术可能失效。

提出的方法

• 利用 CMS 探测器在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 应用先进的喷注重建与子结构技术，识别具有轻子衰变的喷注化顶夸克（t → Wb → ℓνbb）。
• 采用 DeepJet 算法进行 b-夸克喷注识别，并利用逐粒子识别技术实现堆叠抑制。
• 通过 b-夸克喷注与轻子喷注系统的不变质量重建顶夸克质量，并使用运动学拟合以提高分辨率。
• 采用基于似然的统计方法，结合参数轮廓化处理的干扰参数，设定 W′ 信号截面的上限。
• 对质量范围为 2 至 6 TeV 的 W′ 玻色子信号样本进行模拟，变化相对宽度（Γ/mW′ = 1%、10%、20%、30%）和手征性（LH、RH、混合）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV LHC 能量下，能否在轻子末态中观测到衰变为顶夸克和底夸克的 W′ 玻色子？
• RQ2 较大的衰变宽度（高达 30%）如何影响顶夸克衰变信号中 W′ 玻色子的重建与探测灵敏度？
• RQ3 在窄宽度和宽宽度假设下，左旋与右旋 W′ 玻色子的排除限在广泛质量范围内如何？
• RQ4 标准模型 s-通道单个顶夸克产生与 W′ 介导的顶夸克产生之间的干涉，如何影响左旋 W′ 玻色子的信号形状？
• RQ5 非本征态 W′ 贡献在多大程度上扭曲了重建的顶夸克质量分布，特别是在大宽度情况下？

主要发现

• 在 W′ 玻色子的整个 2–6 TeV 质量范围内，未观测到超过标准模型预期的显著过量。
• 对于相对宽度为 1% 的 3.8 TeV W′ 质量假设，最大局部（全局）显著性偏差为 2.6σ（2.0σ）。
• 在窄宽度假设下，质量低于 3.9 TeV 的左旋 W′ 玻色子在 95% 置信水平下被排除。
• 在窄宽度假设下，质量低于 4.3 TeV 的右旋 W′ 玻色子在 95% 置信水平下被排除。
• 排除限已扩展至最高 30% 的相对宽度，探测了此前未探索的参数空间区域。
• 本分析表明，宽宽度 W′ 玻色子由于非本征态产生，会产生更宽且不对称的质量峰，该效应已在信号建模中予以考虑。