Search for physics beyond the standard model in four and three top quark production events using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Búsqueda de Física BSM en la Producción de Cuatro y Tres Quarks Top

Problema y Motivación
El quark top, al ser la partícula elemental más pesada del Modelo Estándar (SM), desempeña un papel crítico en la comprensión de la ruptura de la simetría electrodébil. Los procesos de producción raros que involucran múltiples quarks top, específicamente la producción simultánea de cuatro quarks top ($tttt$) y tres quarks top asociados con un bosón $W$ o un quark ligero ($tttW$, $tttq$, colectivamente $ttt$), sirven como sondas sensibles para la física más allá del Modelo Estándar (BSM). Se predice que estos procesos serán incrementados en varios escenarios BSM, incluyendo la supersimetría, la composición, dimensiones extra, sectores de Higgs extendidos y modelos que involucran materia oscura o partículas de tipo axión. Además, las modificaciones en el acoplamiento de Yukawa del quark top y la presencia de resonancias pesadas que decaen en quarks top pueden alterar significativamente las secciones eficaces y las distribidades cinemáticas de estos eventos raros. Si bien análisis previos de las colaboraciones ATLAS y CMS han observado la producción de $tttt$, este artículo tiene como objetivo proporcionar una interpretación exhaustiva de los datos de $tttt$y$ttt$ dentro de tres marcos BSM específicos: la Teoría de Campos Efectivos del Modelo Estándar (SMEFT), la búsqueda de resonancias pesadas de tipo "toppílicas" estrechas y la extracción de la estructura de CP del acoplamiento de Yukawa del quark top.

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

• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan requiriendo exactamente dos leptones de misma signatura, tres o cuatro leptones estrictos (electrones o muones), sin leptones adicionales laxos, y al menos dos jets con al menos un jet con etiqueta $b$ (b-tagged). La selección se categoriza en regiones de señal (SRs) exclusivas y regiones de control (CRs) basadas en el número de jets ($N_j$), jets $b$ ($N_b$), la suma escalar de los momentos transversales de los jets ($H_T$) y la presencia de candidatos al bosón $Z$.
• Modelado de Señal y Fondo: La señal de $tttt$ se simula al siguiente orden de la QCD (NLO), mientras que la producción de $ttt$ se simula a NLO utilizando un esquema de eliminación de diagramas para evitar el solapamiento con $tttt$. Los fondos, incluyendo $ttZ$, $ttW$, $ttH$ y fuentes de leptones no prompt, se estiman mediante una combinación de simulación y métodos basados en datos (por ejemplo, el método de la relación "tight-to-loose").
• Discriminación: Se emplean Árboles de Decisión Potenciados (BDTs) de multiclasificación para distinguir entre la señal de $tttt$, la producción asociada de top ($ttX$) y los fondos de $t\bar{t}$.
• Estrategia de Ajuste: Los ajustes de verosimilitud (likelihood fits) se realizan sobre las distribuciones del puntaje BDT o la distribución de $H_T$, dependiendo del escenario BSM específico que se esté probando. La distribución de $H_T$ se utiliza para SMEFT y búsquedas de resonancias debido a su sensibilidad a incrementos de alta energía, mientras que el puntaje BDT se utiliza para la medición de la sección eficaz del SM y la extracción del acoplamiento de Yukawa. Las incertidumbres sistemáticas, incluyendo las relacionadas con la luminosidad, el rendimiento del detector y el modelado teórico (variaciones de escala, PDFs), se incorporan como parámetros de molestia (nuisance parameters).

Contribuciones Clave
Este trabajo presenta la primera interpretación simultánea de los datos de producción de $tttt$y$ttt$ dentro de un único marco de análisis para tres escenarios BSM distintos:

1. Interpretación SMEFT: Se derivan restricciones sobre seis coeficientes de Wilson de dimensión-6 ($c_{tt}$, $c^{(1)}_{QQ}$, $c^{(1)}_{Qt}$, $c^{(8)}_{Qt}$, $c^{\text{Re}}_{tH}$ y $c^{\text{Im}}_{tH}$) que modifican las interacciones de cuatro quarks pesados y top-Higgs. Este es el primer análisis optimizado para la producción de $tttt$ que considera estos seis operadores simultáneamente.
2. Búsqueda de Resonancias Pesadas: Se establecen límites de exclusión en seis modelos simplificados de resonancias pesadas toppílicas estrechas (bosones escalares, pseudoscalares y vectoriales en estados de singlete de color y octete de color) con masas que oscilan entre 400 GeV y 1.6 TeV.
3. Extracción del Acoplamiento de Yukawa: Se extrae el acoplamiento de Yukawa del quark top, parametrizando tanto las contribuciones CP-par ($\kappa_t$) como CP-impar ($\tilde{\kappa}_t$), utilizando una parametrización que incluye términos cuárticos para capturar efectos más allá de la aproximación lineal de SMEFT.

Resultados

• Sección Eficaz del SM: La sección eficaz medida de la producción de $tttt$ es $\sigma(tttt) = 18.9^{+4.4}_{-4.0}$ fb, la cual es consistente con la predicción del SM de $13.4^{+1.0}_{-1.8}$ fb dentro de aproximadamente 1.3 desviaciones estándar. Se observa una fuerte anticorrelación ($\rho = -0.98$) entre las secciones eficaces de $tttt$y$ttt$, confirmando que el análisis experimental no puede distinguir entre ambos procesos en las regiones más sensibles.
• Restricciones SMEFT: Los datos son estadísticamente compatibles con la expectativa del SM (coeficientes de Wilson iguales a cero). El análisis proporciona las primeras restricciones sobre la parte imaginaria del coeficiente de Wilson top-Higgs ($c^{\text{Im}}_{tH}$) a partir de un análisis de producción de $tttt$. Los intervalos de exclusión observados para los operadores de cuatro quarks pesados son entre un 12% y un 25% más estrictos que las mediciones previas de EFT de multileptones de CMS, y entre un 64% y un 89% más estrictos que las mediciones de sección eficaz de $tttt$ de ATLAS.
• Exclusiones de Resonancia: No se observa un exceso significativo. Se establecen límites de exclusión sobre la fuerza de acoplamiento de las resonancias toppílicas en función de la masa. Para los modelos de octete de color, se excluyen escenarios físicos para masas por debajo de 1.4–1.6 TeV. Para los modelos de singlete de color, los límites son generalmente más débiles, con exclusiones físicas solo para masas por debajo de 600–800 GeV.
• Acoplamiento de Yukawa: Los modificadores del acoplamiento de Yukawa extraídos son consistentes con la expectativa del SM ($\kappa_t = 1, \tilde{\kappa}_t = 0$) al nivel de una desviación estándar. El intervalo de confianza al 95% observado para $|\kappa_t|$ (con $\tilde{\kappa}_t=0$ fijo) es $0.7 < |\kappa_t| < 1.4$, lo cual es significativamente más estricto que las restricciones previas derivadas únicamente de la producción de $tttt$.

Significancia
El artículo reclama su significancia principalmente a través del tratamiento simultáneo de la producción de $tttt$y$ttt$ como procesos de señal, reconociendo su indistinguibilidad en las firmas experimentales actuales y sus patrones de modificación similares bajo escenarios BSM. Al emplear observables optimizados ($H_T$ para sensibilidad de alta energía y puntajes BDT para pureza) y un marco de ajuste unificado, el análisis logra restricciones mejoradas sobre los operadores SMEFT en comparación con mediciones individuales previas. El trabajo proporciona las primeras restricciones simultáneas sobre seis coeficientes de Wilson específicos en un análisis optimizado para $tttt$ y ofrece los límites más estrictos hasta la fecha sobre el acoplamiento de Yukawa del quark top derivados de la producción multi-top, además de establecer límites de exclusión sobre una amplia gama de modelos de resonancias pesadas toppílicas. Los resultados son estadísticamente compatibles con el Modelo Estándar, reforzando la comprensión actual de la física del quark top mientras establecen fronteras precisas para la posible nueva física.