A search for electroweak $t\bar{t}Wj$ production in multileptonic final states at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector and bounds on effective field theory operators

Resumen Técnico: Una búsqueda de la producción de $t\bar{t}Wj$ electrodébil en estados finales multileptónicos

Problema y Motivación
El programa de física del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) tiene como objetivo sondar la naturaleza de la ruptura de la simetría electrodébil (EWSB) dentro y más allá del Modelo Estándar (SM). Si bien la producción de pares de quarks top en asociación con un bosón $W$ ($t\bar{t}W$) es un proceso bien conocido del SM, su componente de producción electrodébil (EW) en asociación con un jet adicional ($t\bar{t}Wj_{EW}$) ofrece un campo de prueba único. Este proceso específico contiene un vértice de dispersión $tW$, el cual se sondea directamente por primera vez en este análisis. A diferencia de la producción de $t\bar{t}W$ inducida predominantemente por la Cromodinámica Cuántica (QCD), el proceso $t\bar{t}Wj_{EW}$ se caracteriza por un jet "hacia adelante" (forward) con una mayor pseudorapidez.

El interés teórico en este canal proviene de su sensibilidad a la física más allá del Modelo Estándar (BSM). El vértice de dispersión $tW$ exhibe una fuerte sensibilidad potenciada por la energía a los efectos BSM, particularmente aquellos que involucran el acoplamiento del quark top con el sector responsable de la EWSB. Las desviaciones en estos acoplamientos podrían manifestarse como un crecimiento en la sección eficaz con la energía que diverge cuadráticamente con el momento. Además, mediciones recientes de la producción inclusiva de $t\bar{t}W$ a $\sqrt{s}=13$ TeV han mostrado tensiones con las predicciones del SM, las cuales se alivian parcialmente al incluir efectos de orden superior. Por lo tanto, el modelado preciso de $t\bar{t}W$ con jets adicionales es crítico para reducir las incertidumbres en los fondos de búsquedas de procesos raros como $t\bar{t}H$ y $t\bar{t}t\bar{t}$.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector ATLAS durante el Run 2 del LHC, correspondientes a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}=13$ TeV.

• Selección de Eventos: La búsqueda se dirige a eventos con una firma de dileptones que contiene dos leptones de la misma carga (electrones o muones) y al menos cuatro jets, con al menos un jet con etiqueta $b$ ($b$-tagged). Esta topología surge de la cadena de desintegración donde el bosón $W$ se desintegra leptónicamente, un quark top se desintegra vía $W \to \ell\nu b$, y el otro top se desintegra hadrónicamente.
• Discriminación de la Señal: Para distinguir la señal ($t\bar{t}Wj_{EW}$) del fondo dominante inducido por QCD ($t\bar{t}Wj$), el análisis explota las propiedades cinemáticas del jet más hacia adelante que no tiene etiqueta $b$. Específicamente, se utiliza la diferencia en pseudorapidez ($\Delta\eta_j$) entre este jet hacia adelante y el jet con el cual forma la mayor masa invariante como un discriminante.
• Estimación del Fondo:
  • Los fondos prompt (por ejemplo, $t\bar{t}Z$, $VV$, $t\bar{t}W$ QCD) se estiman utilizando simulaciones de Monte Carlo (MC) normalizadas a los datos mediante un ajuste simultáneo.
  • Los leptones no prompt y falsos (derivados de desintegraciones de sabor pesado o jets mal identificados) se estiman utilizando un Método de Matriz (MM) basado en datos.
  • Los fondos de inversión de carga (charge-flip, donde la carga de un electrón se identifica incorrectamente) se estiman utilizando eventos de dielectrones cerca del pico de la masa del bosón $Z$.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de perfil de verosimilitud bintado (binned profile-likelihood fit) de forma simultánea en una Región de Señal (SR) y siete Regiones de Control (CR). Las CR están diseñadas para restringir las normalizaciones de los fondos (por ejemplo, $t\bar{t}Z$, dibosones, leptones falsos) y se definen en función de la multiplicidad de jets, la carga de los leptones, el conteo de jets $b$ y variables cinemáticas como $H_T$ y $\Delta\eta_j$.
• Interpretación EFT: Los resultados se interpretan dentro del marco de la Teoría de Campos Efectivos del Modelo Estándar (SMEFT), centrándose en los operadores de dimensión 6 $O_{Ht}$ y $O^{(1)}_{HQ}$. Estos operadores modifican los acoplamientos electrodébiles del quark top. El análisis considera la sensibilidad dependiente de la energía del proceso $t\bar{t}Wj_{EW}$, re-binando la SR en el momento transversal del leptón líder ($p_T(\ell_0)$) para maximizar la sensibilidad al crecimiento cuadrático de la energía predicho por estos operadores. El ajuste tiene en cuenta tanto las dependencias lineales como cuadráticas de los coeficientes de Wilson, utilizando pseudo-conjuntos de datos para abordar posibles violaciones del teorema de Wilks debido a los términos cuadráticos.

Contribuciones Clave

1. Primera Sonda Directa de la Dispersión $tW$: Este trabajo presenta la primera sonda experimental directa del vértice de dispersión $tW$ embebido dentro del proceso $t\bar{t}Wj_{EW}$.
2. Separación de las Contribuciones EW y QCD: El análisis logra aislar la contribución electrodébil del fondo dominante de QCD utilizando la cinemática del jet hacia adelante, proporcionando una medición más limpia del proceso EW.
3. Complementariedad EFT: El estudio demuestra la utilidad de combinar las mediciones de $t\bar{t}Wj_{EW}$ y $t\bar{t}Z$. Aunque la producción de $t\bar{t}Z$ es sensible a los mismos operadores EFT, sufre de degeneraciones entre $O_{Ht}$ y $O^{(1)}_{HQ}$. La inclusión de $t\bar{t}Wj_{EW}$, con su distinta dependencia cuadrática de la energía, ayuda a levantar estas degeneraciones, proporcionando restricciones más estrictas sobre los coeficientes de Wilson.
4. Control de Fondo Basado en Datos: El análisis emplea técnicas sofisticadas basadas en datos, particularmente el Método de Matriz para leptones falsos, que está ajustado para considerar su dependencia de la sección eficaz de $t\bar{t}W$, reduciendo así las incertidumbres de modelado.

Resultos

• Medición de la Sección Eficaz: La fuerza de la señal observada es $\mu_{t\bar{t}Wj_{EW}} = 0.9^{+2.4}_{-3.0}$, consistente con la expectativa del Modelo Estándar de 1.0.
• Límites Superiores: Se establece un límite superior de confianza del 95% CL para la sección eficaz de $t\bar{t}Wj_{EW}$ de $\sigma_{t\bar{t}Wj_{EW}} < 251$ fb (límite esperado: 230 fb), para ser comparado con la predicción del SM de $47.7^{+1.9}_{-1.4}$ fb.
• Restricciones EFT:
  • Se establecen límites en los coeficientes de Wilson $c_{Ht}/\Lambda^2$ y $c^{(1)}_{HQ}/\Lambda^2$ (con $\Lambda = 1$ TeV).
  • Al ajustar ambos operadores simultáneamente, los intervalos de confianza del 95% se determinan como $c_{Ht} \in [-10, -0.96] \cup [1.5, 7.3]$ y $c^{(1)}_{HQ} \in [-12, 0.33] \cup [3.4, 12]$ (en unidades de TeV$^{-2}$) al considerar tanto los procesos $t\bar{t}Wj_{EW}$ como $t\bar{t}Z$.
  • El análisis confirma que el ajuste combinado de $t\bar{t}Wj_{EW}$ y $t\bar{t}Z$ efectivamente cierra las direcciones degeneradas presentes cuando se analiza $t\bar{t}Z$ de forma aislada.
• Incertidumbres Sistemáticas: La medición está dominada por incertidumbres sistemáticas, principalmente la normalización y el modelado del fondo QCD de $t\bar{t}W$, las incertidumbres de modelado de jets y la estimación de las contribuciones de leptones falsos.

Significancia
El artículo concluye que la búsqueda es consistente con las expectativas del Modelo Estándar, y que la medición está limitada por incertidumbres sistemáticas más que por el poder estadístico. La principal significancia radica en la demostración del proceso $t\bar{t}Wj_{EW}$ como una poderosa sonda para los operadores EFT que afectan los acoplamientos electrodébiles del quark top. El análisis destaca la importancia de la sensibilidad dependiente de la energía y la necesidad de interpretaciones EFT de múltiples procesos y múltiples operadores para desenredar los efectos de la nueva física. Los autores señalan que, si bien la sensibilidad actual está limitada por la estadística de eventos a alto $p_T$, se espera que los datos del futuro Run 3 del LHC mejoren esta sensibilidad, particularmente en la exploración de la interacción entre procesos con y sin un crecimiento significativo de alta energía.