Search for pair-produced vector-like $T$-quarks decaying into $Ht$ final states in the lepton-plus-jets channel in $pp$ collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV with the ATLAS detector

ملخص تقني: البحث عن الكواركات المتجهة الشبيهة بـ T المنتجة في أزواج والتي تتحلل إلى حالات نهائية من نوع Ht

المشكلة والدوافع
يواجه النموذج القياسي (SM) لفيزياء الجسيمات مشكلة الهرمية المتعلقة بالتباين الكبير بين مقياس الكتلة الكهروضعيفة ومقياس بلانك. أحد الحلول المقترحة يتضمن توسيع النموذج القياسي بإضافة كواركات شبيهة بالمتجهات (VLQs)، والتي يمكنها موازنة التصحيحات الإشعاعية المتباعدة تربيعياً لكتلة بوزون هيجز. تقدم هذه الورقة بحثاً عن الكواركات المتجهة من النوع العلوي $T$ المنتجة في أزواج، والتي يُتوقع أن ترتبط تفضيلياً بكواركات الجيل الثالث في النموذج القياسي. يستهدف التحليل تحديداً قناة التحلل حيث يتحلل كوارك $T$ واحد على الأقل إلى بوزون هيجز وكوارك علوي ($T \to Ht$)، مع تحللات لاحقة لـ $H \to b\bar{b}$ و $t \to \ell \nu_\ell b$ (حيث $\ell = e, \mu$). يتم إجراء البحث في الحالة النهائية "ليبتون زائد نفاثات" (lepton-plus-jets) باستخدام بيانات تصادم بروتون-بروتون عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13$ تريليون إلكترون فولت.

المنهجية
يستخدم التحليل مجموعة بيانات التشغيل الثاني (Run 2) الكاملة التي جمعها كاشف ATLAS في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، والتي تقابل لمعاناً متكاملاً قدره 139 فمتوبال (fb$^{-1}$).

• إعادة بناء الأحداث والاختيار: تتميز طوبولوجيا الإشارة بوجود إلكترون أو ميوون واحد معزول بالضبط، وزخم عرضي مفقود كبير ($E_T^{\text{miss}}$)، وعدة نفاثات (jets)، بما في ذلك نفاثات موسومة بـ $b$ (b-tagged jets). للتعامل مع الطبيعة المتسارعة (boosted) للرنينات الثقيلة، يستخدم التحليل نفاثات ذات نصف قطر متغير ($R_{\text{eff}}$) يتم إعادة بناؤها عبر إعادة تجميع النفاثات ذات نصف القطر الصغير. وقد تم وسم هذه النفاثات كتلياً لتحديد المرشحات لـ $W$ و $H$ وكواركات الـ top التي تتحلل هادرونياً. يتم إعادة بناء مرشحات كوارك الـ top اللبتونية عن طريق دمج مرشح بوزون $W$ اللبتوني مع نفاثة موسومة بـ $b$.
• نمذجة الخلفية وإعادة الوزن: الخلفيات المهيمنة هي إنتاج أزواج كواركات الـ top ($t\bar{t}$)، والـ top أحادي الإنتاج، وعمليات $V$+jets. لمعالجة التناقضات بين المحاكاة والبيانات، لا سيما في نمذجة مقاطع عرضية لعمليات $t\bar{t}$ و $V$+jets عند تعددية نفاثات عالية وزخوم عرضية عالية، يتم تطبيق تقنية إعادة وزن تعتمد على البيانات بشكل تكراري. وتعمل هذه التقنية على تصحيح المعايرة والشكل لتوزيعات الخلفية بناءً على مناطق تحكم غنية بأحداث $Z$+jets و $t\bar{t}$.
• التحليل متعدد المتغيرات: تُستخدم شبكة عصبية أمامية (feed-forward neural network) للتمييز بين الإشارة والخلفية. يستخدم المصنف 30 متغيراً مدخلاً، بما في ذلك الخصائص الكينماتيكية (مثل الكتلة الفعالة $m_{\text{eff}}$، والزخوم العرضية للنفاثات ذات نصف القطر المتغير) والميزات الطوبولوجية (مثل الانفصال الزاوي، وتعدد المكونات). يتم تدريب الشبكة العصبية على عينات الإشارة والخلفية المحاكات.
• تصنيف الأحداث: يتم تصنيف الأحداث إلى مناطق إشارة (SRs) ومناطق تحكم (CRs) بناءً على درجة مخرج الشبكة العصبية ($h_{\text{NN}}$)، وعدد النفاثات الموسومة بـ $b$ (2، أو 3، أو $\ge 4$)، ووجود نفاثات موسومة بـ $H$. تم تعريف ثلاث فئات لمناطق الإشارة بواسطة عتبات درجات الشبكة العصبية: الدرجة العالية (HNN)، والدرجة المتوسطة (MNN)، والدرجة المنخفضة (LNN). تُستخدم منطقة LNN، ذات النقاء المنخفض للإشارة ولكن ذات إحصائيات الخلفية العالية، لتقييد معايرات الخلفية في المطابقة الإحصائية.
• التحليل الإحصائي: يتم إجراء مطابقة (fit) تعتمد على الاحتمالية القصوى المجمعة (binned profile-likelihood fit) على توزيع الكتلة الفعالة ($m_{\text{eff}}$) عبر جميع مناطق التحليل. تتضمن المطابقة معاملات الإزعاج (nuisance parameters) لعدم اليقين المنهجي (التجريبي والنظري) وعوامل معايرة حرة لمكونات خلفية محددة ($t\bar{t}+c$ و $t\bar{t}+b$).

المساهمات الرئيسية

• تحسين نمذجة الخلفية: يحسن تنفيذ تقنية إعادة الوزن المعتمدة على البيانات بشكل كبير من التوافق بين البيانات وتوقعات النموذج القياسي لعمليات $t\bar{t}$ و $V$+jets، خاصة في الأنظمة الكينماتيكية ذات الصلة بالبحث عن الرنينات الثقيلة.
• تعزيز التمييز بين الإشارة: يوفر استخدام مصنف الشبكة العصبية، جنباً إلى جنب مع إعادة البناء الصريح لمرشحات كوارك الـ top اللبتونية واستغلال طوبولوجيا (الظهر للظهر) للجسيمات الثقيلة المنتجة في أزواج، قدرة فصل فائقة مقارنة بعمليات بحث ATLAS السابقة في هذه القناة.
• اختبار السيناريوهات الشاملة: يفسر البحث النتائج تحت ثلاثة سيناريوهات معيارية متميزة: سيناريو الـ SU(2) singlet، وسيناريو الـ SU(2) doublet، وسيناريو حيث يتم ضبط كسر التفرع $B(T \to Ht)$ عند 100%.

النتائج
لم يتم رصد أي فائض معتبر في الأحداث فوق توقعات النموذج القياسي في أي من مناطق التحليل. وبناءً على ذلك، تم وضع حدود عليا لمقطع الإنتاج العرضي لكواركات $T$ المتجهة عند مستوى ثقة 95% (CL).

الحدود الدنيا الملحوظة لكتلة كوارك $T$ هي:

• 1.40 تريليون إلكترون فولت لتمثيل SU(2) singlet.
• 1.56 تريليون إلكترون فولت لتمثيل SU(2) doublet.
• 1.66 تريليون إلكترون فولت للسيناريو الذي يكون فيه $B(T \to Ht) = 100\%$.

تمثل هذه الحدود أشد القيود صرامة حتى الآن لسيناريوهات SU(2) doublet و $B(T \to Ht) = 100\%$، حيث تزيد حدود الاستبعاد السابقة بمقدار 0.07 تريليون إلكترون فولت و 0.16 تريليون إلكترون فولت، على التوالي. بالنسبة لسيناريو SU(2) singlet، يحسن هذا الناتج عن حد ATLAS السابق بمقدار 0.04 تريليون إلكترون فولت. ويُلاحظ أن هذا البحث محدود أساساً بعدم اليقين الإحصائي.

الأهمية
تزعم الورقة أن هذه النتائج توفر أشد حدود الاستبعاد المتاحة حالياً للكواركات المتجهة الشبيهة بـ $T$ في قنوات التحلل المحددة والتمثيلات الغازية (gauge representations). ومن خلال استخدام مجموعة بيانات التشغيل الثاني الكاملة وتقنيات التحليل المتقدمة (إعادة الوزن وتعلم الآلة)، يبحث البحث بفعالية في نطاقات كتلة أعلى من عمليات بحث ATLAS السابقة. يشير المؤلفون إلى أنه بينما يظل البحث الحالي محدوداً إحصائياً، فإن زيادة حجم البيانات المتوقع من التشغيل الثالث (Run 3) ومصادم الهادرونات الكبير ذو اللمعان العالي (HL-LHC) يوفر إمكانات كبيرة لتوسيع الحساسية نحو كتل أعلى بكثير. النتائج متاحة لإعادة التفسير عبر HEPData، بما في ذلك عوائد الأحداث، وعدم اليقين المنهجي، وحيز العمل الإحصائي.