Search for $t$-channel scalar and vector leptoquark exchange in the high-mass dimuon and dielectron spectra in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

ملخص تقني: البحث عن تبادل الليبتوكوارك السلمي والمتجه عبر قناة $t$-channel في أطياف ثنائي الميون وثنائي الإلكترون عالية الكتلة

المشكلة والدوافع
يقدم هذا البحث بحثاً عن تبادل الليبتوكواركات (LQs) عبر قناة $t$-channel، وهي بوزونات افتراضية ثلاثية الألوان ترتبط بين الكواركات واللبتونات. بينما ركزت عمليات البحث السابقة على الإنتاج الزوجي أو الفردي الرنيني لليبتوكواركات، فإن هذه القنوات محدودة الحساسية عند كتل الليبتوكوارك العالية ($m_{LQ}$) أو شدة الاقتران العالية. يوفر عملية التبادل عبر قناة $t$-channel، التي تتداخل مع إنتاج ديرال-يان (Drell–Yan) القياسي (SM) لثنائيات اللبتونات، حساسية فائقة في هذه النطاقات لأن مقطعها العرضي يتناقص ببطء أكبر مع زيادة $m_{LQ}$ مقارنة بقنوات الإنتاج.

يستهدف التحليل الليبتوكواركات من الجيل الأول والثاني المرتبطة بكواركات up/down وإلكترونات/ميونات. وتحديداً، يستقصي ثلاثة نماذج لليبتوكواركات مدفوعة بالدراسات الظواهرية: الثنائيات السلمية $R_2$ و $eR_2$، والثلاثي المتجه $U_3$. هذه النماذج ذات صلة بالحلول المحتملة لشذوذ العزم المغناطيسي للميون ($g-2$)، وانتهاك عالمية لفلر اللبتون، وانتهاك لفلر اللبتون. يهدف الدراسة إلى وضع حدود لقوة اقتران الليبتوكوارك-فرميون ($y_{LQ}$ للكميات السلمية، و $g_{LQ}$ للمتجهة) لكتل تتراوح من 1 إلى 5 تيرالتر، وهو نطاق لم يستكشفه بحث الرنين السابق بشكل واسع.

المنهجية
يستخدم التحليل بيانات تصادمات بروتون-بروتون عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13$ تريليون إلكترون فولت (TeV) تم جمعها بواسطة كاشف CMS، وهو ما يعادل لومينوسية متكاملة قدرها 138 فمتوبار$^{-1}$ (fb$^{-1}$). يركز البحث على أحداث ثنائي اللبتون عالية الكتلة ($m_{\\ell\\ell} > 500$ GeV) في قناتي ثنائي الميون ($\\mu\\mu$) وثنائي الإلكترون ($ee$).

• نمذجة الإشارة: يتم نمذجة الإشارة كتحوير غير رنيني لتوزيعات الزاوية والكتلة الثابتة للديليبتون. يتضمن المقطع العرضي التفاضلي مساهمة SM DY، وتبادل الليبتوكوارك النقي عبر قناة $t$-channel، والتداخل بين سعة الليبتوكوارك وسعة SM.
• بناء القوالب: بدلاً من توليد عينات مونت كارلو (MC) مخصصة لكل فرضية إشارة، يستخدم المؤلفون تقنية إعادة الوزن (reweighting). يتم إعادة وزن أحداث SM DY المحاكات باستخدام دوال تحليلية لمتغيرات مستوى المولد ($m_{\\ell\\ell}$، $y$، و $\\cos\\theta^*$) لتمثيل الأشكال الكينماتيكية المحددة لمصطلحات تبادل الليبتوكوارك النقي والتداخل. وهذا يسمح ببناء قوالب مستقلة عن المعلمات لمكونات الإشارة والخلفية.
• المتغيرات: يستخدم الملاءمة ثلاثة متغيرات: الكتلة الثابتة للديليبتون ($m_{\\ell\\ell}$)، والسرعة الزاوية ($y$)، وجيب تمام الزاوية بين الكوارك القادم واللبتون الخارج في إطار كولينز-سوبرز (Collins–Soper). ونظراً لعدم معرفة اتجاه الكوارك الساقط في تصادمات $pp$، يتم استخدام تقريب$\cos\theta_R$.
• تقدير الخلفية: الخلفية المهيمنة هي إنتاج SM DY. وتشمل الخلفيات الأقل سيطرة $t\\bar{t}$، و $tW$، والديبوزون ($WW, WZ, ZZ$)، وإنتاج ثنائي اللبتون الناجم عن الفوتونات. يتم تقدير اللبتونات "المخطئة في تحديدها" (Misidentified) من النفاثات باستخدام طريقة "معدل الخطأ في التحديد" المستندة إلى البيانات في مناطق التحكم. يتم التحقق من معايير أشكال الخلفية وتطبيعها باستخدام مناطق التحكم (مثل أحداث $e\\mu$).
• التحليل الإحصائي: يتم إجراء ملاءمة الحد الأقصى الموزعة (binned maximum likelihood fit) على التوزيعات المرصودة لـ $m_{\\ell\\ell}$، و $|y|$، و $\\cos\\theta_R$. تستخرج الملاءمة المعاملات للتوزيع الزاوي SM ($A_0, A_4$) ومعلمات اقتران الليبتوكوارك ($y_{LQ}^2$ أو $g_{LQ}^2$). يتم دمج عدم اليقين النظامي، بما في ذلك الـ PDFs، وتحديد هوية اللبتون، واللومينوسية، وإجراء إعادة الوزن عبر معالم العوائق (nuisance parameters).

المساهمات الرئيسية

• أول بحث من نوعه: هذا هو أول بحث لتبادل الليبتوكوارك عبر قناة $t$-channel المرتبط بفرميونات الجيل الأول والثاني باستخدام كاشف CMS.
• نطاق كتلة ممتد: يستقصي التحليل كتل الليبتوكوارك حتى 5 تريليون إلكترون فولت (TeV)، مما يوسع الحساسية بشكل كبير وراء حدود عمليات البحث في الإنتاج الزوجي أو الفردي السابقة (التي استبعدت عادةً كتلًا حتى $\\sim 1.8$ TeV).
• حدود اقتران شاملة: يضع الدراسة حدوداً عند مستوى ثقة 95% لثمانية سيناريوهات اقتران متميزة (مجموعات من السلمي/المتجه، up/down كوارك، وإلكترون/ميون).
• تحسين المنهجية: يفصل الورقة طريقة إعادة وزن القوالب القوية التي تأخذ في الاعتبار تأثير "التخفيف" الناتج عن سوء تعيين اتجاه الكوارك وتتجنب الحاجة إلى توليد عينات MC مخصصة واسعة النطاق.

النتائج
لم يتم ملاحظة أي انحراف كبير عن توقعات خلفية النموذج القياسي (SM) في أطياف ثنائي اللبتون عالية الكتلة. التوزيعات المرصودة لـ $m_{\\ell\\ell}$، و $|y|$، و $\\cos\\theta_R$ متسقة مع تنبؤات SM.

• ليبتوكواركات سلمية: بالنسبة لليبتوكواركات السلمية ($R_2, eR_2$) بكتل تتراوح بين 1 و 5 TeV، يتم استبعاد قيم الاقتران $|y_{LQ}|$ في نطاق 0.4–1.3 (لاقران الميون) و 0.3–1.0 (لاقران الإلكترون) عند مستوى ثقة 95%.
• ليبتوكواركات متجهة: بالنسبة لليبتوكواركات المتجهة ($U_3$)، يتم استبعاد قيم الاقتران $|g_{LQ}|$ في نطاق 0.3–1.4 (لاقران الميون) و 0.1–0.5 (لاقران الإلكترون) عند مستوى ثقة 95%.
• المقارنة بالحدود السابقة: توسع هذه النتائج حدود الاستبعاد من عمليات البحث في الإنتاج الفردي السابقة (التي استبعدت كتلًا حتى 1.73 TeV لاقترانات محددة) وأبحاث الإنتاج الزوجي (التي استبعدت كتلًا حتى 1.53 TeV بشكل مستقل عن الاقتران). حدود الليبتوكوارك المتجه أقوى عموماً من الحدود السلمية بسبب مقاطع الإنتاج العرضية الأكبر.
• عدم التماثل: يشير التحليل إلى أنه بالنسبة لنماذج معينة من الليبتوكوارك المتجه (مثل $V_{ed}, V_{\\mu d}$)، يكون التداخل مع SM تداخلياً (destructive)، مما يؤدي إلى دوال احتمالية غير متماثلة وحدود متوقعة أضعف مقارنة بالسيناريوهات الأخرى.

الأهمية والادعاءات
يزعم الورق أنه يضع حدوداً صارمة لليبتوكواركات الجيل الأول والثاني في نطاق كتلة (1–5 TeV) كان غير متاح سابقاً لأبحاث الإنتاج الرنيني. من خلال استخدام آلية التبادل عبر قناة $t$-channel، يثبت التحليل الحساسية لليبتوكواركات ذات كتل أعلى بكثير مما تم فحصه في الإنتاج الزوجي أو الفردي، بشرط أن تكون الاقترانات ضمن النطاق الاضطرابي (perturbative regime). توفر النتائج أول قيود على التبادل غير الرنيني عبر قناة $t$-channel لليبتوكواركات المتجهة المرتبطة بفرميونات الجيل الأول والثاني. ويؤكد المؤلفون أن هذه الحدود حاسمة لاختبار سيناريوهات ما وراء النموذج القياسي (BSM) التي تتضمن الليبتوكواركات، مثل تلك المقترحة لتفسير شذوذ $g-2$ أو عالمية لفلر اللبتون، من خلال استبعاد مناطق محددة من فضاء المعلمات حتى 5 TeV.