Search for single vector-like quark production in opposite-sign dilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

ملخص تقني: البحث عن إنتاج الكواركات الشبيهة بالناقل في حالات نواتج ثنائية الليبتون ذات الإشارة المتعاكسة

المشكلة والدوافع
الكواركات الشبيهة بالناقل (VLQs) هي فرميونات افتراضية حيث تتحول مكوناتها الكيرالية اليسرى واليمنى بشكل متطابق تحت مجموعة الضعف الكهرومغناطيسية للنموذج القياسي (SM). وعلى عكس الكواركات الكيرالية، يمكن لهذه الكواركات امتلاك حدود كتلة ثابتة التباين (gauge-invariant) مستقلة عن بوزون هيجز الخاص بالنموذج القياسي، مما يسمح لها بأن تكون حالات ثقيلة تتجنب قيود اقتران هيجز الحالية. وهي مدفوعة نظرياً كحلول محتملة لمشكلة الهرمية (hierarchy problem) وتفسيرات لبعض الإشارات الملحوظة للانحرافات في وحدة مصفوفة كابيبو-كوباياشي-ماكاكي (CKM). في نماذج الفيزياء ما وراء النموذج القياسي، يمكن أن تظهر الكواركات الشبيهة بالناقل كأحاديات (singlets)، أو ثنائيات (doublets)، أو ثلاثيات (triplets). يركز هذا البحث على الإنتاج الفردي لكوارك علوي شبيه بالناقل ($T$) ذي شحنة كهربائية قدرها $+2/3$، وتحديداً العملية $pp \to Tbq$ عبر تبادل بوزون $W$ في قناة $t$-channel. تستهدف الدراسة سلسلة الاضمحلال $T \to tH$، حيث يضمحل الكوارك العلوي هادرونياً، ويضمحل بوزون هيجز بشكل أساسي إلى زوج من بوزونات $W$ ($H \to WW$)، مع اضمحلالات ليبتونية لاحقة لبوزونات $W$ تؤدي إلى حالة نهائية من ثنائي ليبتون ذي إشارة متعاكسة (OS).

المنهجية
يستخدم التحليل بيانات تصادم بروتون-بروتون التي جمعها تجربة CMS عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13$ تريليون إلكترون فولت خلال فترات التشغيل 2016–2018، وهو ما يقابل لمعاناً متكاملاً يصل إلى 138 فب$^{-1}$.

• اختيار الأحداث: يستهدف البحث الحالات النهائية التي تحتوي على ليبتونين متعاكسي الإشارة (إلكترونات أو ميونات)، وثلاث نفثات (jets) على الأقل (بما في ذلك نفثة واحدة على الأقل موسومة بـ $b$-tagged)، وزخم عرضي مفقود ($p^{\text{miss}}_T$). يتطلب الاختيار بالضبط اثنين من الليبتونات متضادة الإشارة بـ $p_T > 35$ GeV (للإلكترونات) أو $p_T > 30$ GeV (للميونات) و $|\eta| < 2.5$ (للإلكترونات) أو $2.4$(للميونات). يجب أن يكون للنفثات$p_T > 30$GeV و$|\eta| < 2.5$. لقمع خلفيات دريل-يان (Drell–Yan) منخفضة الكتلة، يُشترط أن تكون الكتلة الابتدائية لزوج الليبتونات ($m_{\ell\ell}$) أقل من 60 GeV.
• إعادة بناء الإشارة: المتغير التمييزي الأساسي هو الكتلة الابتدائية المعاد بناؤها لمرشح $T$ (وهي $m_{tH}$). يتم إعادة بناء الكوارك العلوي من نفثة موسومة بـ $b$ ومرشح بوزون $W$ (يتكون من نفثتين بكتلة ابتدائية قريبة من متوسط الكتلة العالمي لبوزون $W$). يتم إعادة بناء بوزون هيجز من الليبتونين والزخم العرضي المفقود. ونظراً لوجود نيترينو مزدوج في اضمحلال $H \to WW \to \ell\ell'\nu\nu$، يتم استخدام إعادة بناء جزئية. بافتراض أن زوج النيترينو متوافق خطياً مع زوج الليبتون، يتم تقدير الزخم الطولي للنيترينوهات، ويتم تقريب الكتلة الابتدائية لزوج النيترينوهات باستخدام القيمة المتوسطة من أحداث الإشارة المحاكات ($\langle m_{\nu\nu} \rangle = 30$ GeV).
• تقدير الخلفية: الخلفيات المهيمنة هي إنتاج زوج الكوارك العلوي ($t\bar{t}$) وإنتاج دريل-يان (DY). يتم تقدير شكل الخلفية في منطقة الإشارة مباشرة من البيانات المرصودة باستخدام دالة معلمية (أس دالة متعددة الحدود من الدرجة الثانية في لوغاريتم $m_{tH}$). يقلل هذا النهج من الاعتماد على محاكاة مونت كارلو (MC) للضبط المعياري. يتضمن الاختيار عتبة ديناميكية للمجموع القياسي للزخوم العرضية ($S_T$) لمرشحي التوب والهيجز، وهي معرفة كدالة لـ $m_{tH}$ للحفاظ على شكل خلفية متناقص بسلاسة.
• التحليل الإحصائي: يتم إجراء ملاءمة الحد الأقصى للاحتمال الموزع (binned maximum likelihood fit) على توزيع $m_{tH}$ عبر اثنتي عشرة فئة (ثلاث تركيبات لنكهات الليبتونات $\times$ أربع فترات زمنية لجمع البيانات). تُعامل عدم اليقين النظامية، بما في ذلك تلك المتعلقة بمقياس/دقة طاقة النفثة، ووسم $b$ (b-tagging)، واللمعان، ومعلمة الخلفية، كمعلمات مشوشة (nuisance parameters).

المساهمات الرئيسية

• أول بحث في قناة ثنائي الليبتون متضاد الإشارة: يقدم هذا العمل أول بحث لإنتاج $T$ الفردي في قناة $T \to tH$ باستخدام حالات نواتج ثنائية الليبتون متضادة الإشارة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC). ركزت تحليلات CMS السابقة في هذه القناة على الاضمحلالات الهادرونية الكاملة للكواركات العليا أو اضمحلالات هيجز إلى أزواج الفوتونات أو كواركات $b$.
• تقنية إعادة البناء الجزئية: يطبق التحليل طريقة إعادة بناء حركية (kinematic) محددة لوضع اضمحلال $H \to WW \to \ell\ell\nu\nu$، مما يسمح باستخدام متغير $m_{tH}$ رغم وجود النيترينوهات غير المرصودة.
• حدود مستقلة عن النموذج: نظراً لاعتماد مقطع الإنتاج العرضي على الاقترانات مع الكواركات القياسية والجسيمات الكهرومغناطيسية الضعيفة، تُعرض النتائج كحدود عليا لضرب المقطع العرضي للإنتاج في كسر الاضمحلال، $\sigma(pp \to T)\mathcal{B}(T \to tH)$، بدلاً من الكتلة وحدها.

النتائج
لم يتم ملاحظة أي فائض كبير في الأحداث فوق خلفية النموذج القياسي المتوقعة في نطاق كتلة $T$ المختبر من 600 إلى 1200 GeV. وبناءً على ذلك، تم وضع حدود عليا عند مستوى ثقة 95% على $\sigma(pp \to T)\mathcal{B}(T \to tH)$.

• تتراوح الحدود الملحوظة من 2.0 بيكوبارن عند كتلة $T$ تبلغ 600 GeV إلى 0.1 بيكوبارن عند 1000 GeV.
• النتائج متسقة مع الحدود المتوقعة ضمن نطاقات عدم اليقين.
• وفر مسار الإلكترون-ميون ($e\mu$) أقوى القيود بسبب كسر اضمحلاله العالي وغياب خلفية دريل-يان (DY).
• يفترض التحليل تقريب العرض الضيق (narrow-width approximation) لرنين $T$ ونسبة عرض-إلى-كتلة ($\Gamma_T/M_T$) تبلغ 5%.

الأهمية
يدعي البحث أنه يكمل عمليات البحث السابقة عن إنتاج $T$ الفردي من خلال توسيع التحليل ليشمل حالة ثنائي الليبتون متضاد الإشارة. ومن خلال فحص وضع الاضمحلال $T \to tH$ في هذا التوبولوجيا المحددة، يغطي التحليل منطقة لم تكن مستكشفة سابقاً من حيز المعلمات للبحث عن الكواركات الشبيهة بالناقل في مصادم الهادرونات الكبير. توفر النتائج قيوداً على حاصل ضرب المقطع العرضي للإنتاج في كسر الاضمحلال لكتل $T$ تتراوح بين 600 و1200 GeV، مما يساهم في الجهود الأوسع لاختبار النموذج القياسي والبحث عن ظواهر فيزياء جديدة.