Search for a leptoquark in events with a hadronically decaying $\tau$-lepton and missing transverse momentum using $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, cette étude recherche des leptoquarks dans des états finaux contenant un lepton $\tau$ se désintégrant de manière hadronique et une impulsion transverse manquante, ne trouvant aucun excès par rapport aux prédictions du Modèle Standard et fixant des limites de niveau de confiance de 95 % sur les couplages pour des masses de leptoquarks vectoriels $U_1$ comprises entre 1,5 et 3,0 TeV.

L'essentiel

L'image globale : À la recherche de la « colle cosmique »

Imaginez que l'univers soit construit à partir de minuscules briques de LEGO. Nous avons deux types principaux de briques : les quarks (qui construisent les protons et les neutrons) et les leptons (comme les électrons et les particules tau). Pendant des décades, le Modèle Standard de la physique a affirmé que ces deux types de briques ne s'attachent jamais directement ; elles ne peuvent interagir qu'en se transmettant une particule messagère.

Cependant, des expériences récentes ont remarqué un étrange bug. Lorsque certaines particules lourdes (les mésons B) se désintègrent, elles semblent se transformer en particules « tau » plus souvent que les règles ne le prévoient. C'est comme un distributeur automatique qui est censé vous donner une soda 10 % du temps, mais qui, ces derniers temps, vous donne un soda 15 % du temps.

Les physiciens soupçonnent qu'il pourrait y avoir une nouvelle « colle » invisible tenant ensemble ces deux types différents de briques. Ils appellent cette colle hypothétique un Leptoquark. C'est une particule qui peut saisir un quark et un lepton et les fracasser l'un contre l'autre, agissant comme un pont entre deux mondes qui ne se mélangent habituellement pas.

L'expérience : Un choc de particules à haute vitesse

L'équipe ATLAS du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN a décidé de traquer cette colle. Ils ont pris des protons (qui sont comme de petits sacs de quarks) et les ont fracassés les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière.

L'installation :
Considérez la collision comme un accident de voiture à haute vitesse. Quand les voitures (les protons) s'entrechoquent, elles volent en éclats en un million de morceaux. Le détecteur ATLAS est une caméra géante à 360 degrés qui prend une photo de chaque débris qui s'échappe.

L'indice qu'ils cherchaient :
L'équipe ne cherchait pas n'importe quel débris. Elle cherchait spécifiquement un motif très rare et précis :

1. Une particule Tau qui se brise en une pluie d'autres particules (comme un feu d'artifice qui explose).
2. Beaucoup d'énergie manquante. Puisque nous ne pouvons pas voir les neutrinos (des particules fantomatiques qui traversent tout), nous savons qu'ils sont là parce que l'énergie totale dans la photo ne correspond pas au total initial. C'est comme voir une bille frapper un rack de billes, et soudain, la table a moins d'énergie qu'au départ — quelque chose a dû s'envoler de la table sans être vu.

Ils ont cherché ces événements « Tau + Énergie manquante » se produisant aux côtés d'un Jet (une gerbe de particules provenant d'un quark).

La stratégie : Deux façons de capturer la colle

L'équipe a cherché le Leptoquark de deux manières différentes, comme si l'on cherchait une clé perdue dans deux pièces différentes :

1. La recherche « Résonante » (Le coup direct) :
   Imaginez que vous lanciez une balle contre un mur. Si le mur possède un trou spécifique, la balle pourrait rester coincée là pendant une fraction de seconde avant de tomber de l'autre côté. L'équipe a cherché un Leptoquark qui est créé directement puis se désintègre immédiatement en un Tau et un quark. Cela apparaîtrait comme une « bosse » distincte dans les données à un poids (masse) spécifique.

2. La recherche « Non-Résonante » (La main invisible) :
   Imaginez deux personnes se lançant une balle, mais au lieu de la rattraper, la balle les frôle simplement, et la trajectoire change légèrement sans même être tenue. C'est l'échange par « canal t ». Le Leptoquark n'est pas créé en tant que particule réelle ; il existe juste pendant un instant comme une force, poussant les particules à s'écarter. Cela se manifesterait par une augmentation générale des collisions à haute énergie, plutôt que par une bosse spécifique.

Les résultats : Le fantôme reste insaisissable

Après avoir analysé une quantité massive de données (140 « femtobarns inverses » — ce qui est une façon sophistiquée de dire qu'ils ont observé des trillions de collisions), l'équipe n'a rien trouvé.

• L'analogie : Imaginez que vous cherchiez un type d'oiseau très rare dans une forêt. Vous installez des caméras haute résolution et écoutez son chant pendant des mois. Vous voyez des milliers d'autres oiseaux, des écureuils et le vent dans les arbres. Mais vous n'entendez jamais le chant de l'oiseau rare.
• La conclusion : Le nombre d'événements « Tau + Énergie manquante » qu'ils ont observés correspondait exactement à ce que le Modèle Standard prédit. Il n'y avait pas d'événements supplémentaires, pas de bosses, ni d'excès étranges.

Ce que cela signifie pour la « colle »

Même s'ils n'ont pas trouvé le Leptoquark, c'est un résultat très important. En ne le trouvant pas, ils ont placé un panneau « Défense de stationner » sur une immense partie de la carte.

• La Carte : Ils ont testé des Leptoquarks avec des masses comprises entre 1,5 et 3,0 TeV (ce qui est environ 1 500 à 3 000 fois plus lourd qu'un proton).
• La Limite : Ils ont calculé que si cette « colle » existe, elle ne peut pas être aussi forte qu'ils l'espéraient dans cette gamme de poids. Ils ont écarté de nombreuses théories qui tentaient d'expliquer le « bug du distributeur automatique » (les anomalies des mésons B) en utilisant ce type spécifique de Leptoquark.

Résumé

La collaboration ATLAS a fracassé des protons, cherchant un motif de débris spécifique et rare qui signalerait une nouvelle particule de « colle » reliant les quarks et les leptons, et n'a trouvé rien d'autre que le bruit de fond attendu.

À retenir : L'univers se comporte exactement comme les anciennes règles le prédisaient dans ce scénario spécifique. Le « Leptoquark » reste un fantôme, et s'il existe, il est soit trop lourd, soit trop faible pour être vu par cette expérience précise. La recherche continue, mais ce chemin particulier est désormais fermé.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche d'un leptoquark dans des événements avec un lepton $\tau$ à décomposition hadronique et une impulsion transverse manquante

Problème et motivation
Les désintégrations semi-leptoniques des mésons $B$, spécifiquement les rapports $R(D^{(*)}) = \mathcal{B}(B \to D^{(*)}\tau\nu)/\mathcal{B}(B \to D^{(*)}\ell\nu)$, présentent une déviation persistante d'environ $3,8\sigma$ par rapport aux prédictions du Modèle Standard (MS), ce qui motive la recherche de nouvelle physique, potentiellement médiée par des leptoquarks (LQ). Alors que les recherches précédentes par ATLAS et CMS se sont concentrées sur la production de paires de leptoquarks ou sur la production simple de LQ se désintégrant en états finaux $\tau\tau$, ces analyses supposent souvent que le taux de signal dépend principalement du couplage $b\tau$. Ce document présente la première recherche ATLAS ciblant spécifiquement l'état final $\tau\nu(+b)$ pour sonder directement les scénarios où le couplage $c\nu$ est significatif, une région qui n'a pas été pleinement couverte par les recherches $\tau\tau$ précédentes.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS à $\sqrt{s} = 13$ TeV lors du Run 2 (2015–2018), correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$. La recherche cible la production d'un leptoquark vectoriel $U_1$ avec les nombres quantiques $(3, 1, 2/3)$. Deux mécanismes de production distincts sont considérés :

1. Production simple résonnante : $U_1$ produit via un échange en canal $t$, se désintégrant en un quark $b$ ou $s$ à haute $p_T$ et un lepton $\tau$.
2. Production non-résonnante : échange en canal $t$ menant à un système $\tau\nu$ associé à un jet.

Le signal est caractérisé par un lepton $\tau$ à décomposition hadronique ($\tau_{\text{had}}$) avec une impulsion transverse élevée ($p_T > 200$ GeV) et une grande impulsion transverse manquante ($E_T^{\text{miss}}$). Les événements sont classés en quatre régions de signal (SR) basées sur la présence d'un jet $b$ et le régime de masse attendu :

• SR résonnantes (SR0b-Res, SR1b-Res) : optimisées pour des masses de LQ plus faibles ($\sim 1,5$ TeV), nécessitant $E_T^{\text{miss}} > 200$ GeV et une masse transverse $m_T > 200$ GeV.
• SR non-résonnantes (SR0b-NonRes, SR1b-NonRes) : optimisées pour des masses plus élevées, nécessitant $E_T^{\text{miss}} > 400$ GeV et $m_T > 600$ GeV.

Les fonds sont estimés à l'aide d'échantillons simulés contraints par les données dans des régions de contrôle (CR). Le bruit de fond dominant, $W \to \tau\nu$ + jets, est normalisé à l'aide de CR avec un lepton ($e$ ou $\mu$) au lieu d'un $\tau_{\text{had}}$. Les fonds de quarks top sont contraints à l'aide de CR avec un $\tau_{\text{had}}$ et un lepton supplémentaire. Des régions de validation (VR) sont employées pour tester l'extrapolation des estimations de fond des CR vers les SR.

Contributions clés

• Canal novateur : Ce travail introduit la première analyse ATLAS ciblant l'état final $\tau\nu(+b)$, spécifiquement conçue pour sonder l'interaction entre les couplages $b\tau$ et $c\nu$ dans le modèle de leptoquark vectoriel $U_1$.
• Sensibilité aux couplages : L'analyse est sensible à la région de haut $\beta_{23}^L$ de l'espace des paramètres (où $\beta_{23}^L$ régit le couplage $c\nu$), qui est moins contrainte par les recherches de production de paires précédentes, lesquelles sont largement insensibles à la force du couplage à l'ordre dominant.
• Stratégie complète : En classant les événements par multiplicité de jets $b$ et en distinguant les topologies résonnantes et non-résonnantes, la recherche couvre une large gamme de scénarios de couplage ($g_U$ et $\beta_{23}^L$) pour des masses de leptoquark comprises entre 1,5 TeV et 3,0 TeV.

Résultats
Aucun excès significatif d'événements au-dessus de la prédiction du bruit de fond du Modèle Standard n'est observé dans aucune des régions de signal. Les données observées sont en bon accord avec les attentes de fond post-ajustement à travers toutes les distributions cinématiques.

• Limites d'exclusion : Des limites supérieures sur la force du signal $\mu$ sont fixées au niveau de confiance (CL) de 95 % en utilisant la méthode $CL_s$.
• Espace des paramètres : Les limites sont dérivées sur le couplage $g_U$ en fonction de la masse du leptoquark $m_{U_1}$ pour des valeurs fixes de $\beta_{23}^L$, et sur $\beta_{23}^L$ en fonction de $g_U$ pour des masses fixes.
  • Pour $m_{U_1} = 1,5$ TeV, les limites supérieures observées sur $g_U$ sont 1,13 (à $\beta_{23}^L = 1,0$) et 0,52 (à $\beta_{23}^L = 2,2$).
  • Pour $m_{U_1} = 2,5$ TeV, les limites supérieures observées sur $g_U$ sont 2,30 (à $\beta_{23}^L = 1,0$) et 1,22 (à $\beta_{23}^L = 2,2$).
• Contraintes sur les anomalies : Les résultats excluent certaines parties de l'espace des paramètres favorisées par les anomalies de la physique des $B$, particulièrement aux valeurs élevées de $\beta_{23}^L$. Cependant, l'analyse n'exclut pas toute la région cohérente avec l'anomalie $R(D^{(*)})$, car des valeurs de couplage plus faibles restent autorisées.

Signification
L'article affirme que cette recherche fournit des contraintes complémentaires aux recherches antérieures de leptoquarks. Alors que les recherches de production de paires offrent les contraintes les plus fortes aux masses basses pour les grands couplages, cette analyse de production simple et non-résonnante sonde la région de haut $\beta_{23}^L$, qui est cruciale pour expliquer l'anomalie $R(D^{(*)})$ dans certains modèles complets UV. En fixant des limites sur les couplages dans le modèle de référence du leptoquark vectoriel $U_1$, l'analyse réduit l'espace des paramètres viable pour les explications de la nouvelle physique des anomalies de saveur des mésons $B$, testant spécifement les scénarios où le couplage $c\nu$ joue un rôle dominant.