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

Resumen Técnico: Búsqueda de la producción por pares de quarks vectoriales tipo $T$ que decaen en un quark top y una partícula de espín 0 en el estado final de difotones

Problema y Motivación
Tras el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, la física de altas energías se ha centrado en determinar si el Higgs es fundamental o compuesto y en abordar el problema de la jerarquía. Teorías como la de la compositividad parcial proponen la existencia de quarks vectoriales tipo (VLQ), específicamente socios del top ($T$), que se mezclan con los fermiones del Modelo Estándar (SM). Si bien las búsquedas previas han asumido mayoritariamente que los VLQ decaen en partículas del SM (por ejemplo, $T \to tH, tZ, tW, bW$), los modelos que involucran compositividad suelen predecir escalares o pseudoscalares exóticos adicionales ($S$). En tales escenarios, un socio del top podría decaer vía $T \to St$, donde $S$ es una nueva partícula de espín 0. Si $S$ decae en partículas del SM, estas desintegraciones en cascada representan una topología de búsqueda no explorada previamente por las colaboraciones ATLAS o CMS. Este análisis se dirige al proceso específico de producción por pares de VLQs ($pp \to T\bar{T}$) donde un $T$ decae vía $T \to St \to t\gamma\gamma$ y el otro vía $T \to St \to tX$, donde $X$ representa cualquier estado final permitido ($\gamma\gamma, Z\gamma, WW, ZZ, t\bar{t}$).

Metodología
El análisis utiliza el conjunto completo de datos de la Run 2 recolectados por el detector ATLAS a $\sqrt{s}=13$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$.

• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan requiriendo al menos dos fotones aislados con una energía transversal $E_T > 38$ GeV y un pseudorapidez $|\eta| < 2.47$ (excluyendo la región de transición del barril-endcap). Se requiere al menos un jet con etiqueta $b$ (b-tagged jet). La masa invariante del sistema de difotones ($m_{\gamma\gamma}$) debe ser superior a 150 GeV para evitar la región de la masa del bosón de Higgs.
• Discriminador Cinemático: El principal discriminador contra el fondo del Modelo Estándar es la suma escalar de los momentos transversales de todos los objetos visibles (jets, leptones, fotones) más el momento transversal faltante ($E_T^{\text{miss}}$), denotado como $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Esta variable se elige porque los productos de desintegración de resonancias pesadas se espera que tengan grandes momentos transversales, mientras que los procesos del SM pueblan el extremo inferior de este espectro.
• Modelado de Señal y Fondo:
  • Señal: Simulada utilizando MadGraph5_aMC@NLO con Pythia 8 para la producción de chorros (parton showering). Las muestras de señal cubren masas de $T$ ($m_T$) de 1000 a 1800 GeV y masas de $S$ ($m_S$) de 200 a 1200 GeV. El análisis asume una relación de ramificación (branching ratio) del 100% para $T \to St$.
  • Fondo: El fondo de difotones continuo se estima mediante un enfoque basado en datos (data-driven). Los Regiones de Control (CR) se definen en rangos de menor $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ para proporcionar plantillas de fondo. La forma del fondo en las Regiones de Señal (SR) está parametrizada por una función exponencial, $f(m_{\gamma\gamma}) = N e^{-m_{\gamma\gamma}/\tau}$, con parámetros ajustados a los datos.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de verosimilitud simultáneo no acoplado (unbinned simultaneous likelihood fit) a través de cuatro Regiones de Señal definidas por umbrales crecientes de $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Se incorporan mediante parámetros de molestia (nuisance parameters) las incertidumbres sistemáticas, incluyendo las del modelado del fondo (señal espuria), la escala/resolución de la energía de los fotones y la luminosidad.

Contribuciones Clave

• Topología de Búsqueda Novedosa: Esta es la primera búsqueda de ATLAS para la producción por pares de VLQs que decaen a través de una partícula de espín 0 exótica hacia un estado final de difotones. Aborda un vacío en las búsquedas previas de VLQ, que típicamente asumían desintegraciones directas hacia bosones del SM.
• Resultados Independientes del Modelo: Aunque la búsqueda está motivada por modelos de compositividad parcial específicos, los resultados se presentan en un volumen fiducial definido por requisitos cinemáticos en los fotones. Esto permite que los límites sean reinterpretados en una amplia variedad de modelos fenomenológicos más allá del escenario específico $T \to St$.
• Espacio de Parámetros Exhaustivo: El análisis cubre un amplio rango de masas ($m_T \in [1000, 1800]$ GeV, $m_S \in [200, 1200]$ GeV), excluyendo solo las regiones cinemáticamente suprimidas donde $m_S > m_T - m_t$.

Resultados

• Observación: No se observa un exceso significativo sobre el fondo esperado del Modelo Estándar en ninguna de las Regiones de Señal. Los datos son consistentes con la hipótesis de solo fondo, con desviaciones que permanecen dentro de $2\sigma$.
• Límites de Exclusión: Se establecen límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) en la sección eficaz de producción fiducial multiplicada por la relación de ramificación, $\sigma_{\text{fid}}(pp \to T\bar{T}) \times \mathcal{B}(S \to \gamma\gamma) \times \mathcal{B}(S \to X)$, como función de $m_T$ y $m_S$.
• Interpretación del Modelo: Los resultados se interpretan dentro del marco de un modelo específico de compositidad parcial (Ref. [61]). En este modelo, asumiendo masas degeneradas para los VLQs y las partículas de espín 0, el análisis excluye masas de $T$ por debajo de $m_T = 1620$ GeV para el escenario donde las partículas de espín 0 decaen en estados finales no fotónicos (el caso $2\gamma$, correspondiente a un $S \to \gamma\gamma$ y el otro a modos no fotónicos). Los límites de exclusión son más débiles para escenarios que involucran más fotones (por ejemplo, estados finales de $3\gamma$ o $4\gamma$) debido a menores relaciones de ramificación o aceptancia.

Significancia
El artículo reclama significancia principalmente como una búsqueda pionera en un canal de desintegración inexplorado para los quarks tipo (VLQ). Al dirigirse a la cascada $T \to St$ con $S \to \gamma\gamma$, el análisis extiende la sensibilidad de las búsquedas de VLQ a escenarios que involucran escalares exóticos, los cuales son predichos por los modelos de Higgs compuesto pero que anteriormente no estaban restringidos por ATLAS. La falta de una señal observada permite a la colaboración establecer las primeras restricciones sobre esta topología específica, reduciendo así el espacio de parámetros viables para los modelos que predicen socios del top que decaen vía nuevos mediadores de espín 0. Los resultados se presentan con un alto grado de independencia del modelo en el volumen fiducial, asegurando su utilidad para futuras reinterpretaciones.