Search for pair-production of vector-like $T$ quarks decaying into a top quark and a spin-0 particle in the diphoton final state in proton proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

ملخص تقني: البحث عن إنتاج الزوج لـ الكواركات من النوع المتجهي $T$ التي تتحلل إلى كوارك علوي وجسيم ذو سبين-0 في الحالة النهائية ثنائية الفوتون

المشكلة والدوافع
بعد اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012، ركزت فيزياء الطاقات العالية على تحديد ما إذا كان هيغز جسيماً أساسياً أم مركباً، وعلى معالجة مشكلة التدرج (hierarchy problem). تقترح نظريات مثل "التركيب الجزئي" (partial compositeness) وجود كواركات من النوع المتجهي (VLQs)، وتحديداً شركاء التوب ($T$)، والتي تمتزج مع فرميونات النموذج المعياري (SM). وبينما ركزت عمليات البحث السابقة بشكل كبير على افتراض تحلل الـ VLQ إلى جسيمات النموذج المعياري (مثل $T \to tH, tZ, tW, bW$)، فإن النماذج التي تتضمن التركيب (compositeness) غالباً ما تتنبأ بوجود جسيمات سكالر (scalar) أو بسودوسكالر (pseudoscalar) غريبة إضافية ($S$). في مثل هذه السيناريوهات، يمكن لشريك التوب أن يتحلل عبر $T \to St$، حيث $S$ هو جسيم جديد ذو سبين-0. وإذا تحلل $S$ إلى جسيمات النموذج المعياري، فإن هذه التحللات المتتالية (cascade decays) تمثل تضاريس بحث لم يتم استكشافها مسبقاً من قبل تجارب ATLAS أو CMS. يستهدف هذا التحليل عملية إنتاج الزوج للـ VLQs ($pp \to T\bar{T}$) حيث يتحلل أحد الـ $T$ عبر $T \to St \to t\gamma\gamma$ والآخر عبر $T \to St \to tX$، حيث يمثل $X$ أي حالة نهائية مسموح بها ($\gamma\gamma, Z\gamma, WW, ZZ, t\bar{t}$).

المنهجية
يستخدم التحليل مجموعة بيانات تشغيل Run 2 الكاملة التي جمعها كاشف ATLAS عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s}=13$ TeV، والتي تقابل لمعاناً متكاملاً قدره 140 fb$^{-1}$.

• اختيار الأحداث: يتم اختيار الأحداث التي تتطلب فوتونين معزولين على الأقل بطاقة عرضية $E_T > 38$ GeV والتعامد الزائف $|\eta| < 2.47$ (باستثناء منطقة الانتقال بين الأسطوانة والأسطوانة الطرفية own barrel-endcap). كما يُشترط وجود نفاث (jet) واحد على الأقل مصنف كـ $b$-tagged. ويجب أن تكون الكتلة الثابتة لنظام ثنائي الفوتون ($m_{\gamma\gamma}$) أكبر من 150 GeV لتجنب منطقة كتلة بوزون هيغز.
• المميز الكينماتيكي: المميز الرئيسي ضد خلفية النموذج المعياري هو المجموع السكالر للزخم العرضي لجميع الأجسام المرئية (النفاثات، اللبتونات، الفوتونات) بالإضافة إلى الزخم العرضي المفقود ($E_T^{\text{miss}}$)، والذي يُرمز له بـ $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. تم اختيار هذا المتغير لأن نواتج تحلل الرنينات الثقيلة يُتوقع أن تمتلك زخماً عرضياً كبيراً، بينما تشغل عمليات النموذج المعياري الطرف الأدنى من هذا الطيف.
• نمذجة الإشارة والخلفية:
  • الإشارة: تمت المحاكاة باستخدام MadGraph5_aMC@NLO مع Pythia 8 لعملية التذرية (parton showering). تغطي عينات الإشارة كتل $T$ ($m_T$) من 1000 إلى 1800 GeV وكتل $S$ ($m_S$) من 200 إلى 1200 GeV. يفترض التحليل نسبة تفرع (branching ratio) بنسبة 100% لـ $T \to St$.
  • الخلفية: يتم تقدير خلفية الفوتونات المستمرة باستخدام نهج قائم على البيانات. تُعرف مناطق التحكم (CRs) في نطاقات $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ الأقل لتوفير قوالب للخلفية. يتم توصيف شكل الخلفية في مناطق الإشارة (SRs) بواسطة دالة أسية، $f(m_{\gamma\gamma}) = N e^{-m_{\gamma\gamma}/\tau}$، مع ملاءمة المعاملات للبيانات.
• التحليل الإحصائي: يتم إجراء ملاءمة احتمالية (likelihood fit) متزامنة غير معلمية عبر أربع مناطق إشارة محددة بعتبات متزايدة لـ $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. يتم دمج أوجه عدم اليقين النظامية، بما في ذلك نمذجة الخلفية (الإشارة الزائفة)، ومقياس/دقة طاقة الفوتون، واللمعان، عبر معاملات عذراء (nuisance parameters).

المساهمات الرئيسية

• تضاريس بحث جديدة: يعد هذا أول بحث لـ ATLAS لإنتاج الزوج لـ VLQs التي تتحلل عبر جسيم غريب ذو سبين-0 إلى حالة نهائية ثنائية الفوتون. وهو يعالج فجوة في عمليات بحث الـ VLQ السابقة التي افترضت عادةً التحلل مباشرة إلى بوزونات النموذج المعياري.
• نتائج مستقلة عن النموذج: على الرغم من أن البحث مدفوع بنماذج تركيب محددة، إلا أن النتائج تُقدم في حجم معياري (fiducial volume) محدد بالمتطلبات الكينماتيكية للفوتونات. وهذا يسمح بإعادة تفسير الحدود في مجموعة واسعة من النماذج الظاهراتية (phenomenological models) بما يتجاوز سيناريو $T \to St$ المحدد.
• فضاء بارامترات شامل: يغطي التحليل نطاقاً واسعاً من الكتل ($m_T \in [1000, 1800]$ GeV، $m_S \in [200, 1200]$ GeV)، مستبعداً فقط المناطق المثبطة كينماتيكياً حيث $m_S > m_T - m_t$.

النتائج

• الملاحظة: لم يتم رصد أي فائض معنوي فوق خلفية النموذج المعياري المتوقعة في أي من مناطق الإشارة. البيانات متسقة مع فرضية الخلفية فقط، مع بقاء الانحرافات ضمن حدود $2\sigma$.
• حدود الاستبعاد: تم وضع حدود عليا عند مستوى ثقة 95% (CL) على مقطع الإنتاج المعياري مضروباً في نسبة التفرع، $\sigma_{\text{fid}}(pp \to T\bar{T}) \times \mathcal{B}(S \to \gamma\gamma) \times \mathcal{B}(S \to X)$، كدالة لـ $m_T$ و $m_S$.
• تفسير النموذج: يتم تفسير النتائج ضمن إطار نموذج تركيب جزئي محدد (المرجع [61]). في هذا النموذج، وبافتراض كتل متساوية لـ VLQs وجسيمات سبين-0، يستبعد التحليل كتل $T$ التي تقل عن $m_T = 1620$ GeV للسيناريو الذي تتحلل فيه جسيمات $S$ إلى نواتج غير فوتونية (حالة $2\gamma$، المقابلة لحالة يكون فيها أحد الـ $S \to \gamma\gamma$ والآخر لـ modes غير فوتونية). تكون حدود الاستبعاد أضعف في السيناريوهات التي تتضمن المزيد من الفوتونات (مثل حالات $3\gamma$ أو $4\gamma$) بسبب انخفاض نسب التفرع أو القبول (acceptance).

الأهمية
يدعي البحث أهميته بشكل أساسي كبحث رائد في قناة تحلل غير مستكشفة للكواركات من النوع المتجهي. من خلال استهداف تحلل $T \to St$ مع $S \to \gamma\gamma$، يوسع التحليل حساسية عمليات بحث الـ VLQ للسيناريوهات التي تتضمن جسيمات سكالر غريبة، والتي يتنبأ بها نماذج الهيغز المركب ولكنها كانت غير مقيدة سابقاً من قبل ATLAS. إن عدم رصد إشارة يسمح للتعاون بوضع أول القيود على هذه التضاريس المحددة، مما يضيق مساحة البارامترات المتاحة للنماذج التي تتنبأ بشركاء التوب الذين يتحللون عبر وسطاء سبين-0 جدد. تُقدم النتائج بدرجة عالية من الاستقلال عن النموذج في الحجم المعياري، مما يضمن فائدتها لإعادة التفسيرات المستقبلية.