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

Résumé technique : Recherche de la production simple d'un quark de type vecteur se désintégrant en un quark top et un boson scalaire neutre

Problème et motivation
Cet article présente une recherche sur la production simple d'un quark de type vecteur (VLQ) de charge $2e/3$, noté $T$, se désintégrant en un quark top ($t$) et un boson scalaire neutre ($\phi$). Le boson scalaire est considéré soit comme le boson de Higgs du Modèle Standard (SM), soit comme un nouveau boson scalaire au-delà du Modèle Standard ($\phi$). Bien que les mesures de précision contraignent l'existence d'une quatrième génération de quarks chiraux, les quarks de type vecteur restent une prédiction viable de diverses extensions du Modèle Standard traitant le problème de la hiérarchie. Contrairement aux quarks chiraux, les VLQ acquièrent leur masse indépendamment des couplages de Yukawa. Les recherches précédentes se sont largement concentrées sur la production par paire ou la production simple dans des canaux de désintégration impliquant $Wb$, $Zt$, ou $tH$ (avec $H \to$ diphotons ou entièrement hadronique). Cette analyse cible la topologie de désintégration spécifique $T \to t\phi$ (où $\phi \to b\bar{b}$) dans l'état final lepton+jets, un canal précédemment inexploré pour la production simple de $T$ vers un nouveau scalaire neutre.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV collectées par l'expérience CMS durant la période 2016–2018, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb$^{-1}$.

• Topologie du signal : Le signal est caractérisé par un quark $T$ produit en association avec un quark bottom ($bTq$ production). Le quark $T$ se désintègre en $t\phi$ (où le quark top se désintègre de manière leptonique ($t \to Wb \to \ell\nu b$) et le boson scalaire se désintègre en une paire de bottom-antibottom ($\phi \to b\bar{b}$)). L'état final consiste en un lepton isolé ($e$ ou $\mu$), une impulsion transverse manquante ($p_T^{miss}$) et plusieurs jets, incluant un jet de saveur légère vers l'avant et un système $b\bar{b}$ boosté.
• Reconstruction des événements :
  • Boson scalaire ($\phi$) : Reconstruit comme un jet à grand rayon (AK8, $R=0.8$), avec un $p_T > 500$ GeV. Un réseau de neurones profond (DNN) décorrélé de la masse (MD), PARTICLENET-MD, est employé pour identifier les jets provenant de désintégrations $X \to b\bar{b}$ (tagger $Xbb$).
  • Quark top : Reconstruit à partir d'un lepton, d'un jet AK4 et de $p_T^{miss}$. Une approche basée sur l'apprentissage automatique utilisant un arbre de décision boosté (BDT) multiclasse est développée pour distinguer les vrais candidats quark top ($t_{true}$) du bruit de fond combinatoire ($t_{QCD}$ et $t_{oth}$). Des BDT distinctes sont entraînées pour les configurations fusionnées (merged) et résolues, les saveurs de leptons et les plages de $p_T$.
• Catégorisation des événements : Les événements sélectionnés sont classés dans des régions mutuellement exclusives basées sur la qualité du marquage (tagging) du quark top et du tagger $Xbb$ :
  • Régions de signal (SRs) : Événements avec un marquage top serré (TopT) et un marquage $Xbb$ serré (XbbT), ou un marquage top lâche (TopL) et un marquage $Xbb$ serré.
  • Régions de validation (VRs) : Utilisées pour vérifier l'accord entre les données et le bruit de fond (ex: TopT/XbbL, TopL/XbbL).
  • Régions de contrôle (CRs) : Utilisées pour calibrer les efficacités de marquage et les taux de faux marquage (ex: TopT/XbbV, LepT/XbbT).
• Analyse statistique : Un ajustement de maximum de vraisemblance simultané est effectué sur la distribution de la masse invariante du candidat quark $T$ reconstruit ($M_{\ell\nu bJ}$) à travers les SR et les VR. Les incertitudes systématiques (théoriques et expérimentales) sont traitées comme des paramètres de nuisance. La méthode $CL_s$ est utilisée pour fixer les limites supérieures.

Contributions clés

• Nouveau canal de désintégration : Ce travail fournit les premières limites d'exclusion sur la production simple d'un quark $T$ se désintégrant en un quark top et un nouveau scalaire neutre ($T \to t\phi$).
• Reconstruction optimisée : L'analyse introduit un algorithme de marquage de quark top spécialisé, basé sur l'apprentissage automatique (BDT), optimisé pour les topologies boostées, améliorant significativement l'efficacité d'identification par rapport aux méthodes par coupure (amélioration relative d'environ 30 % à 6 % de faux marquage de fond).
• Balayage de masse complet : La recherche couvre une large gamme de masses de quark $T$ (1,3–3,0 TeV) et de masses de bosons scalaires (25–250 GeV).
• Interprétation du Higgs du SM : L'analyse interprète également les résultats pour le canal $T \to tH$, fournissant des contraintes actualisées sur ce mode de désintégration spécifique.

Résultats
Aucun excès significatif d'événements par rapport au bruit de fond attendu du Modèle Standard n'a été observé. Par conséquent, des limites supérieures à un niveau de confiance de 95 % CL ont été fixées sur le produit de la section efficace de production et de la fraction de branchement ($\sigma \times \mathcal{B}$).

• Canal $T \to t\phi$ : Pour un nouveau boson scalaire $\phi$, les limites observées sur $\sigma \times \mathcal{B}(T \to t\phi \to t b\bar{b})$ varient entre 14,7 fb et 0,1 fb pour des masses de $T$ comprises entre 1,3 et 3,0 TeV, selon la masse de $\phi$. Plus précisément, pour $m_\phi = 25$ GeV, des valeurs supérieures à 2,3 à 0,1 fb sont exclues pour $m_T \in [1,0, 3,0]$ TeV. Pour $m_\phi = 250$ GeV, des valeurs supérieures à 14,7 à 0,3 fb sont exclues pour $m_T \in [1,3, 3,0]$ TeV.
• Canal $T \to tH$ : Pour la désintégration en le boson de Higgs du SM, des valeurs supérieures à 100 et 1,0 fb sont exclues à 95 % CL pour $m_T$ entre 1,0 et 3,0 TeV.

Signification
L'article affirme que ces résultats représentent les premières limites d'exclusion fixées sur la production simple d'un quark $T$ se désintégrant en un quark top et un nouveau scalaire neutre. De plus, pour le canal de désintégration $T \to tH$, l'analyse fournit les meilleures limites à ce jour sur les sections efficaces de production pour les masses de quark $T$ supérieures à 2 TeV. Les résultats améliorent toutes les recherches CMS précédentes pour la production simple de $T$ dans le canal $tH$ pour $m_T \ge 1,3$ TeV. L'analyse démontre une sensibilité particulière aux grands boosts de Lorentz des produits de désintégration, ce qui la rend efficace pour les scénarios de quarks $T$ de haute masse.