Search for single production of a vector-like T quark decaying to a top quark and a neutral scalar boson in the lepton+jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Búsqueda de la producción individual de un quark tipo vector con carga $2e/3$ que decae en un quark top y un bosón escalar neutro

Problema y motivación
Este artículo presenta una búsqueda de la producción individual de un quark tipo vector (VLQ) con carga $2e/3$, denotado como $T$, que decae en un quark top ($t$) y un bosón escalar neutro ($\phi$). El bosón escalar se considera ya sea el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM) ($H$) o un nuevo bosón escalar más allá del SM ($\phi$). Mientras que las mediciones de precisión restringen la existencia de una cuarta generación de quarks quirales, los quarks tipo vector siguen siendo una predicción viable de varias extensiones del Modelo Estándar que abordan el problema de la jerarquía. A diferencia de los quarks quirales, los VLQ adquieren masa independientemente de los acoplamientos de Yukawa. Las búsquedas previas se han centrado principalmente en la producción por pares o en la producción individual en canales de decaimiento que involucran $Wb$, $Zt$o$tH$ (con $H \to$ difotones o totalmente hadrónicos). Este análisis se dirige a la topología de decaimiento específica $T \to t\phi$ (donde $\phi \to b\bar{b}$) en el estado final de leptones + jets, un canal previamente inexplorado para la producción individual de un $T$ hacia un nuevo escalar neutro.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV recolectados por el experimento CMS durante 2016–2018, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$.

• Topología de la señal: La señal se caracteriza por un único quark $T$ producido en asociación con un quark bottom ($bTq$ production). El $T$ decae en $t\phi$, donde el quark top decae leptónicamente ($t \to Wb \to \ell\nu b$) y el bosón escalar decae en un par de bottom-antibottom ($\phi \to b\bar{b}$). El estado final consiste en un leptón aislado ($e$ o $\mu$), momento transversal faltante ($p_T^{miss}$) y múltiples jets, incluyendo un jet de sabor ligero frontal y un sistema $b\bar{b}$ con gran impulso (boosted).
• Reconstrucción de eventos:
  • Bosón escalar ($\phi$): Reconstruido como un jet de radio grande (AK8, $R=0.8$), con $p_T > 500$ GeV. Se emplea una red neuronal profunda descorrelacionada de la masa (MD), PARTICLENET-MD, para etiquetar jets originados de decaimientos $X \to b\bar{b}$ (etiquetador $Xbb$).
  • Quark top: Reconstruido a partir de un leptón, un jet AK4 y $p_T^{miss}$. Se desarrolla un enfoque de aprendizaje automático utilizando un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) multiclase para distinguir candidatos a quark top verdaderos ($t_{true}$) del fondo combinatorio ($t_{QCD}$ y $t_{oth}$). Se entrenan BDTs separados para configuraciones fusionadas (merged) y resueltas (resolved), sabores de leptones y rangos de $p_T$.
• Categorización de eventos: Los eventos seleccionados se clasifican en regiones mutuamente excluyentes basadas en la calidad del etiquetado del quark top y del $Xbb$:
  • Regiones de Señal (SRs): Eventos con etiquetado de top estricto (TopT) y etiquetado de $Xbb$ estricto (XbbT), o etiquetado de top laxo (TopL) y etiquetado de $Xbb$ estricto.
  • Regiones de Validación (VRs): Utilizadas para verificar la concordancia entre los datos y el fondo (por ejemplo, TopT/XbbL, TopL/XbbL).
  • Regiones de Control (CRs): Utilizadas para calibrar las eficiencias de etiquetado y las tasas de falsos positivos (por ejemplo, TopT/XbbV, LepT/XbbT).
• Análisis estadístico: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud simultáneo sobre la distribución de la masa invariante del candidato a quark $T$ reconstruido ($M_{\ell\nu bJ}$) a través de las SRs y las VRs. Las incertidumbres sistemáticas (teóricas y experimentales) se tratan como parámetros de molestia (nuisance parameters). Se utiliza el método $CL_s$ para establecer límites superiores.

Contribuciones clave

• Nuevo canal de decaimiento: Este trabajo proporciona los primeros límites de exclusión para la producción individual de un quark $T$ que decae en un quark top y un nuevo bosón escalar neutro ($T \to t\phi$).
• Reconstrucción optimizada: El análisis introduce un algoritmo especializado de etiquetado de quark top basado en aprendizaje automático (BDT) optimizado para topologías con gran impulso (boosted), lo que mejora significativamente la eficiencia de identificación sobre los métodos basados en cortes (una mejora relativa de aproximadamente el 30% con un 6% de identificación errónea del fondo).
• Escaneo de masa exhaustivo: La búsqueda cubre un amplio rango de masas del quark $T$ (1.3–3.0 TeV) y de masas del bosón escalar (25–250 GeV).
• Interpretación del Higgs del SM: El análisis también interpreta los resultados para el canal $T \to tH$, proporcionando restricciones actualizadas sobre este modo de decaimiento específico.

Resultados
No se observó un exceso significativo de eventos sobre el fondo esperado del Modelo Estándar. En consecuencia, se establecieron límites superiores al nivel de confianza del 95% CL sobre el producto de la sección eficaz de producción y la fracción de ramificación ($\sigma \times \mathcal{B}$).

• Canal $T \to t\phi$: Para un nuevo bosón escalar $\phi$, los límites observados sobre $\sigma \times \mathcal{B}(T \to t\phi \to t b\bar{b})$ varían entre 14.7 fb y 0.1 fb para masas de $T$ entre 1.3 y 3.0 TeV, dependiendo de la masa de $\phi$. Específicamente, para $m_\phi = 25$ GeV, se excluyen valores superiores a 2.3 a 0.1 fb para $m_T \in [1.0, 3.0]$ TeV. Para $m_\phi = 250$ GeV, se excluyen valores superiores a 14.7 a 0.3 fb para $m_T \in [1.3, 3.0]$ TeV.
• Canal $T \to tH$: Para el decaimiento en el bosón de Higgs del SM, se excluyen valores superiores a 100 a 1.0 fb al 95% CL para $m_T$ entre 1.0 y 3.0 TeV.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados representan los primeros límites de exclusión establecidos sobre la producción de un solo quark $T$ que decae en un quark top y un nuevo bosón escalar neutro. Además, para el canal de decaimiento $T \to tH$, el análisis proporciona los mejores límites hasta la fecha sobre las secciones eficaces de producción para masas de quark $T$ por encima de 2 TeV. Los resultados mejoran todas las búsquedas previas de CMS para la producción individual de $T$ en el canal $tH$ para $m_T \ge 1.3$ TeV. El análisis demuestra una sensibilidad particular a los grandes impulsos de Lorentz de los productos de decaimiento, lo que lo hace efectivo para escenarios de quarks $T$ de alta masa.