Search for $t$-channel scalar and vector leptoquark exchange in the high-mass dimuon and dielectron spectra in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $\sqrt{s}$ = 13 TeV collectées par le détecteur CMS, cette étude recherche l'échange de leptoquarks scalaires et vectoriels par canal $t$ dans les spectres de dileptons de haute masse, établissant des limites strictes au niveau de confiance de 95 % sur les couplages leptoquark-fermion pour des masses comprises entre 1 et 5 TeV.

L'essentiel

La grande enquête de la particule : à la recherche des « leptoquarks » invisibles

Imaginez l'univers comme une cuisine géante et trépidante où de minuscules ingrédients appelés quarks (qui composent les protons et les neutrons) et leptons (comme les électrons et les muons) sont constamment projetés dans tous les sens. Selon notre livre de recettes actuel, le Modèle Standard, ces deux groupes d'ingrédients se mélangent rarement. Les quarks restent avec les quarks, et les leptons restent avec les leptons.

Mais et s'il existait un ingrédient secret, une particule « caméléon » appelée Leptoquark (LQ), capable de transformer un quark en lepton ou vice versa ? Ce document est l'histoire de l'équipe CMS du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN, tentant de trouver ces caméléons.

La mise en place : une trajectoire de collision à haute vitesse

Les scientifiques ont utilisé le LHC, un anneau massif d'aimants de 27 kilomètres, pour fracasser des protons les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils ne cherchaient pas seulement une « preuve irréfutable » (une nouvelle particule surgissant soudainement pour ensuite se désintégrer immédiatement). Au lieu de cela, ils cherchaient un subtil « fantôme dans la machine ».

Voyez cela comme ceci :

• La méthode standard (Bruit de fond) : Habituellement, lorsque deux protons entrent en collision, ils échangent un « messager » (comme un photon ou un boson Z) qui crée une paire d'électrons ou de muons. C'est le processus Drell-Yan, le bruit de fond de l'univers.
• La voie du Leptoquark (Le Signal) : Si un Leptoquark existe, il ne se contente pas de rester là ; il agit comme un pont. Il permet à un quark d'un proton de prendre la place d'un lepton de l'autre lors d'une poignée de main unique et invisible. C'est ce qu'on appelle un échange en canal t (t-channel exchange).

Le piège ? Le Leptoquark pourrait être si lourd (jusqu'à 5 000 fois la masse d'un proton) que nous ne pouvons pas le créer directement. Au lieu de cela, nous devons chercher l' écho de sa présence dans la manière dont les particules se dispersent.

L'enquête : à la recherche d'une ombre déformée

Puisque le Leptoquark est trop lourd pour être vu directement, l'équipe a examiné la forme des débris de la collision.

Imaginez que vous lanciez deux balles de tennis l'une contre l'autre.

• S'il s'agit d'un rebond normal (Modèle Standard), elles se dispersent selon un schéma prévisible et symétrique.
• S'il y a un aimant caché et invisible (le Leptoquark) qui influence le rebond, les balles se disperseront de manière étrange et asymétrique.

L'équipe CMS a analysé 138 « femtobarns inverses » de données (une façon sophistiquée de dire qu'ils ont examiné un nombre colossal de collisions). Ils se sont concentrés sur les événements où deux muons ou deux électrons ont été produits avec une énergie très élevée (masses supérieures à 500 GeV).

Ils ont utilisé trois indices principaux pour repérer la déformation :

1. La Masse : Quelle était la masse de la paire de particules ?
2. L'Angle : Ont-elles volé droit devant elles ou selon un angle aigu ?
3. La Direction : Préféraient-elles voler dans la direction du proton entrant ou dans la direction opposée ?

Ils ont construit un « modèle » (un plan numérique) de ce à quoi la collision devrait ressembler si seule la physique du Modèle Standard était en jeu. Ensuite, ils ont superposé leurs données réelles pour voir si l'« ombre » du Leptoquark déformait le plan.

Les résultats : aucun fantôme trouvé (pas encore)

Après avoir analysé les chiffres, l'équipe n'a trouvé aucune preuve de Leptoquarks. Les données correspondaient parfaitement aux prédictions du Modèle Standard. Le « fantôme » n'était pas là.

Cependant, en science, un « résultat nul » est tout de même une découverte majeure car il nous indique où ne pas chercher.

• La Zone d'Exclusion : Ils ont effectivement dressé un immense panneau « Entrée Interdite » sur la carte de la physique des particules. Ils ont prouvé que si les Leptoquarks existent, ils ne peuvent pas être plus légers que 1 à 5 TeV (selon la force de leur interaction).
• La Limite de Couplage : Ils ont également établi des limites strictes sur la mesure de l'« adhérence » de ces particules. Si un Leptoquark existe, il ne peut pas interagir très fortement avec la matière ordinaire, sinon nous l'aurions déjà vu.

Pourquoi cela importe

Cette recherche est particulière car elle portait sur un type d'interaction de Leptoquark différent des recherches précédentes.

• Les recherches précédentes cherchaient des Leptoquarks créés par paires (comme trouver des jumeaux identiques).
• Cette recherche cherchait le Leptoquark agissant comme un pont unique et invisible (l'échange en canal t).

Cette méthode leur a permis de sonder des masses bien plus lourdes (jusqu'à 5 TeV) que jamais auparavant. C'est comme chercher une montagne en regardant l'ombre qu'elle projette sur l'horizon ; même si la montagne est trop haute pour être vue directement, l'ombre vous indique qu'elle n'est pas là.

L'essentiel à retenir

L'équipe CMS n'a pas trouvé le Leptoquark, mais elle a réussi à nettoyer une immense portion de la « jungle des particules ». Elle nous a informés que si ces particules exotiques existent, elles se cachent dans un recoin de l'univers très lourd et interagissant très faiblement, que nous n'étions pas capables d'atteindre jusqu'à présent. La recherche continue, mais les règles du jeu ont été considérablement durcies.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche de l'échange de leptoquarks scalaires et vectoriels par canal $t$ dans les spectres de dimuons et de dielectrons de haute masse

Problématique et motivation
Cet article présente une recherche de l'échange par canal $t$ de leptoquarks (LQ), des bosons hypothétiques à triplet de couleur qui couplent les quarks et les leptons. Alors que les recherches précédentes se sont concentrées sur la production résonante par paire ou par production simple de LQ, ces canaux sont limités en sensibilité pour des masses de LQ ($m_{LQ}$) élevées ou des couplages forts. Le processus d'échange par canal $t$, qui interfère avec la production Drell–Yan (DY) du Modèle Standard (SM) de dileptons, offre une sensibilité supérieure dans ces régimes car sa section efficace décroît plus lentement avec l'augmentation de $m_{LQ}$ par rapport aux canaux de production.

L'analyse cible les leptoquarks de première et deuxième générations couplés aux quarks up/down et aux électrons/muons. Plus précisément, elle sonde trois familles de LQ motivées par des études phénoménologiques : les doublets scalaires $R_2$ et $eR_2$, et le triplet vectoriel $U_3$. Ces modèles sont pertinents pour d'éventuelles solutions concernant l'anomalie du moment magnétique anomal du muon ($g-2$), la violation de l'universalité du goût leptonique et la violation du goût leptonique. L'étude vise à fixer des limites sur les forces de couplage leptoquark-fermion ($y_{LQ}$ pour les scalaires, $g_{LQ}$ pour les vecteurs) pour des masses allant de 1 à 5 TeV, un régime largement inexploré par les recherches de production résonante précédentes.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 13$ TeV collectées par le détecteur CMS, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb$^{-1}$. La recherche se concentre sur les événements de dileptons de haute masse ($m_{\ell\ell} > 500$ GeV) dans les canaux dimuon ($\mu\mu$) et dielectron ($ee$).

• Modélisation du signal : Le signal est modélisé comme une modification non résonante des distributions angulaires et de masse invariante des dileptons. La section efficace différentielle inclut la contribution DY du SM, l'échange pur de LQ par canal $t$, et l'interférence entre les amplitudes LQ et SM.
• Construction de templates : Au lieu de générer des échantillons de Monte Carlo (MC) dédiés pour chaque hypothèse de signal, les auteurs utilisent une technique de repondération. Les événements DY du SM simulés sont repondérés à l'aide de fonctions analytiques des variables au niveau du générateur ($m_{\ell\ell}$, $y$, et $\cos\theta^*$) pour représenter les formes cinématiques spécifiques des termes d'échange pur de LQ et d'interférence. Cela permet la construction de templates indépendants des paramètres pour les composantes de signal et de fond.
• Variables : L'ajustement (fit) utilise trois variables : la masse invariante des dileptons ($m_{\ell\ell}$), la rapidité ($y$), et le cosinus de l'angle entre le quark incident et le lepton sortant dans le référentiel de Collins–Soper ($\cos\theta^*$). En raison de la direction inconnue du quark incident dans les collisions $pp$, une approximation $\cos\theta_R$ est utilisée.
• Estimation du fond : Le fond dominant est la production DY du SM. Les fonds subdominants incluent la production $t\bar{t}$, $tW$, les dibosons ($WW, WZ, ZZ$) et la production de dileptons induite par les photons. Les leptons « mal identifiés » (MisID) provenant de jets sont estimés à l'aide d'une méthode de « taux de mauvaise identification » pilotée par les données dans des régions de contrôle. Les normalisations et les formes des fonds sont validées à l'aide de régions de contrôle (par exemple, les événements $e\mu$).
• Analyse statistique : Un ajustement de maximum de vraisemblance par classes est effectué sur les distributions observées de $m_{\ell\ell}$, $|y|$ et $\cos\theta_R$. L'ajustement extrait les coefficients pour la distribution angulaire du SM ($A_0, A_4$) et les paramètres de couplage LQ ($y_{LQ}^2$ ou $g_{LQ}^2$). Les incertitudes systématiques, incluant celles provenant des PDF, de l'identification des leptons, de la luminosité et de la procédure de repondération, sont incorporées via des paramètres de nuisance.

Principales contributions

• Première recherche de ce type : Il s'agit de la première recherche d'échange de LQ par canal $t$ couplé aux fermions de première et deuxième générations utilisant le détecteur CMS.
• Portée de masse étendue : L'analyse sonde des masses de LQ jusqu'à 5 TeV, étendant significativement la sensibilité au-delà des limites fixées par les recherches de production par paire ou par production simple (qui excluent typiquement des masses jusqu'à $\sim 1,8$ TeV).
• Limites de couplage complètes : L'étude fixe des limites à un niveau de confiance (CL) de 95 % pour huit scénarios de couplage distincts (combinaisons de scalaire/vectoriel, quarks up/down et leptons électron/muon).
• Raffinement méthodologique : L'article détaille une méthode robuste de repondération de templates qui tient compte de l'effet de « dilution » de la mauvaise assignation de la direction du quark et évite le besoin d'une génération étendue de MC de signal dédiée.

Résultats
Aucune déviation significative par rapport aux attentes du fond du Modèle Standard n'a été observée dans les spectres de dileptons de haute masse. Les distributions observées de $m_{\ell\ell}$, $|y|$ et $\cos\theta_R$ sont cohérentes avec les prédictions du SM.

• LQ scalaires : Pour les LQ scalaires ($R_2, eR_2$) avec des masses entre 1 et 5 TeV, des valeurs de couplage $|y_{LQ}|$ dans la plage de 0,4–1,3 (pour les couplages muoniques) et 0,3–1,0 (pour les couplages électroniques) sont exclues à 95 % CL.
• LQ vectoriels : Pour les LQ vectoriels ($U_3$), des valeurs de couplage $|g_{LQ}|$ dans la plage de 0,3–1,4 (pour les couplages muoniques) et 0,1–0,5 (pour les couplages électroniques) sont exclues à 95 % CL.
• Comparaison aux limites précédentes : Ces résultats étendent considérablement les limites d'exclusion des recherches de production simple précédentes (qui excluaient des masses jusqu'à 1,73 TeV pour des couplages spécifiques) et des recherches de production par paire (qui excluaient des masses jusqu'à 1,53 TeV indépendamment du couplage). Les limites des LQ vectoriels sont généralement plus fortes que celles des LQ scalaires en raison de sections efficaces de production plus grandes.
• Asymétrie : L'analyse note que pour certains modèles de LQ vectoriels (par exemple, $V_{ed}, V_{\mu d}$), l'interférence avec le SM est destructive, entraînant des fonctions de vraisemblance asymétriques et des limites attendues plus faibles par rapport à d'autres scénarios.

Signification et affirmations
L'article affirme établir des limites strictes sur les leptoquarks de première et deuxième générations dans un régime de masse (1–5 TeV) qui était auparavant inaccessible aux recherches de production résonante. En utilisant le mécanisme d'échange par canal $t$, l'analyse démontre une sensibilité à des LQ ayant des masses significativement plus élevées que celles sondées par la production par paire ou par production simple, à condition que les couplages soient dans le régime perturbatif. Les résultats fournissent les premières contraintes sur l'échange non résonant par canal $t$ pour les leptoquarks vectoriels couplés aux fermions de première et deuxième générations. Les auteurs soulignent que ces limites sont cruciales pour tester les scénarios BSM impliquant des leptoquarks, tels que ceux proposés pour expliquer les anomalies de $g-2$ ou de l'universalité du goût leptonique, en excluant des régions spécifiques de l'espace des paramètres jusqu'à 5 TeV.