Search for a new neutral gauge boson produced in association with one or two b jets and decaying into a pair of muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Búsqueda de un nuevo bosón de gauge neutro ($Z'$) producido en asociación con jets $b$ y que decae en dimuones

Problema y Motivación
El Modelo Estándar (ME) de la física de partículas no logra explicar varios fenómenos observados, incluyendo las masas de los neutrinos, la asimetría materia-antimateria y la materia oscura. Anomalías recientes en las tasas de desintegración de los mesones $B$, específicamente en las razones $R(K^*)$ y $R(D^*)$, han sugerido posibles violaciones de la universalidad de sabor leptónico en las transiciones $b \to s\ell\ell$ y $b \to c\ell\nu_\ell$. Si bien las mediciones actualizadas de LHCb han aliviado algunas tensiones en las transiciones $b \to s\ell\ell$, los modelos teóricos que proponen un nuevo bosón de gauge neutro ($Z'$) con acoplamientos no universales a fermiones de tercera generación siguen siendo viables. Específicamente, los modelos que involucran un grupo de gauge $U(1)_X$ roto espontáneamente con cargas dependientes de la familia sugieren un bosón $Z'$ que se acopla preferencialmente a quarks bottom y muones.

Las búsquedas previas de bosones $Z'$ en el LHC se han centrado principalmente en la producción inclusiva vía fusión de quarks ligeros o en regiones de alta masa ($>350$ GeV). Sin embargo, estas búsquedas suelen asumir acoplamientos universales de sabor, lo cual puede no aplicarse a los modelos que abordan las anomalías de la física de $B$. Existe una necesidad específica de sondear la región de baja masa ($125–350$ GeV) para bosones $Z'$ producidos mediante la fusión de quarks bottom-bottom ($b\bar{b}$) o bottom-strange ($b\bar{s}$), ya que este modo de producción está potenciado en modelos con acoplamientos no universales, pero ha sido menos restringido por las búsquedas inclusivas.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante el Run 2 del LHC (2016–2018), lo que corresponde a una luminosidad integrada de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Modelo de Señal: La búsqueda se dirige a un resonancia $Z'$ de espín-1 estrecha (ancho $<1\%$ de su masa) que decae en un par de dimuones ($\mu^+\mu^-$). El $Z'$ se produce en asociación con uno o dos jets, donde al menos un jet tiene etiqueta de $b$ ($b$-tagged). El modelo de referencia asume acoplamientos exclusivos a muones y neutrinos muónicos en el sector leptónico, y a quarks bottom (y potencialmente quarks strange mediante corrientes neutras que cambian el sabor, $\delta_{bs}$) en el sector de quarks.
• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan requiriendo exactamente dos leptones de signo opuesto y mismo sabor (muones) con $p_T > 53$ GeV y $|\eta| < 2.4$. El análisis categoriza los eventos basándose en la multiplicidad de jets (1-jet o 2-jets) y el estado de etiquetado de $b$ ($b$-tagging). Las regiones de señal (SR) requieren al menos un jet con etiqueta de $b$. Las regiones de control (CR) se definen utilizando pares de dielectrones o jets de quarks ligeros/gluones para estimar los fondos.
• Estimación del Fondo: Debido a las discrepancias observadas entre las mediciones de la sección eficaz de Drell-Yan más $b$-jet y los datos de simulación, la estimación del fondo se basa enteramente en métodos basados en datos utilizando una técnica de matriz ABCD.
  • El método utiliza dos variables no correlacionadas: sabor leptónico (muón vs. electrón) y estado de etiquetado de $b$ ($b$-etiquetado vs. no $b$-etiquetado).
  • El rendimiento de la señal en la región de dimuones con etiqueta de $b$ se predice utilizando los rendimientos de tres regiones de control: dielectrones con etiqueta de $b$, dimuones sin etiqueta de $b$, y dielectrones sin etiqueta de $b$.
  • Los factores de transferencia derivados de las regiones sin etiqueta de $b$ corrigen las diferencias en aceptación y resolución entre electrones y muones.
• Incertidumbres Sistemáticas: Las incertidumbres incluyen las de eficiencia de disparo (trigger), reconstrucción/identificación de leptones, escala/resolución de energía de jets, eficiencia de etiquetado de $b$, modelado de pileup y funciones de distribución de partones (PDFs). Se asigna una incertidumbre específica al cierre del método ABCD basada en variaciones de ajuste en las regiones de control.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud simultáneo a través de los años de toma de datos y las categorías de multiplicidad de jets. Se establecen límites en el producto de la sección eficaz, la fracción de ramificación a dimuones, la aceptación y la eficiencia ($\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$) utilizando la aproximación asintótica al nivel de confianza del 95% CL.

Contribuciones Clave

• Primeros Resultados en el Rango de Baja Masa: Este artículo presenta los primeros límites específicos sobre la producción de $Z'$ mediante la fusión de quarks bottom en el rango de masa de $125–200$ GeV.
• Restricciones Estrictas a la Fusión-$b$: Para el rango de masa de $200–350$ GeV, los resultados proporcionan las restricciones más estrictas hasta la fecha sobre los modos de producción de $Z'$ que involucran la fusión de quarks bottom ($b\bar{b}$ y $b\bar{s}$), complementando las búsquedas inclusivas de $Z'$.
• Presentación Independiente del Modelo: Los resultados se presentan de manera independiente al modelo, ofreciendo valores de aceptación y eficiencia dependientes del proceso para siete categorías de producción distintas (ej., $0b(b-s)$, $0b(b-b)$, $1b$, $1s$, $1b+1s$, $2b$, $2s$). Esto permite la reinterpretación para diversos modelos teóricos más allá del benchmark específico.
• Fondo Basado en Datos: El análisis evita la dependencia de simulaciones de Monte Carlo potencialmente inexactas para los fondos dominantes mediante el empleo de una estrategia de estimación ABCD robusta y totalmente basada en datos.

Resultos

• Observación: No se observó ninguna desviación significativa de la hipótesis de solo fondo en los datos. Las distribuciones de los datos observados en las regiones de señal son consistentes con las predicciones de fondo del método ABCD dentro de las incertidumbres.
• Límites de Exclusión: Se establecieron límites superiores al 95% CL sobre el producto $\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$ para masas de $Z'$ entre 125 y 350 GeV. Los límites de sección eficaz excluidos oscilan aproximadamente entre $0.2$y$2$ fb.
• Significancia Local: Se observó una desviación local de $3.1$ desviaciones estándar en la región de señal de 1-jet (SR^\mu_\mu_b) en una masa de $230$ GeV. Sin embargo, tras contabilizar el efecto de buscar en múltiples hipótesis (look-elsewhere effect) en ambas regiones de señal, la significancia global se reduce a $0.5$ desviaciones estándar, lo cual es consistente con una fluctuación del fondo.
• Aceptación y Eficiencia: Las tablas detalladas (Tablas 5–11) proporcionan la aceptación multiplicada por la eficiencia para cada categoría de producción y región de señal, facilitando la reinterpretación de estos límites para modelos teóricos específicos.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados representan un complemento crucial para las búsquedas existentes de $Z'$ inclusivos. Al dirigirse al mecanismo de producción específico de la fusión de quarks bottom, el análisis sondea una región del espacio de parámetros que está menos restringida por los modelos que asumen la universalidad de sabor. Los resultados descartan o restringen eficazmente modelos específicos de $Z'$ que proponen acoplamientos no universales a fermiones de tercera generación en el rango de masa de $125–350$ GeV, particularmente aquellos motivados por las anomalías de la física de $B$. La provisión de límites independientes del modelo y factores de aceptación asegura que estos resultados sigan siendo valiosos para probar futuros desarrollos teóricos en la física más allá del Modelo Estándar.