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

Résumé Technique : Recherche de la physique au-delà du Modèle Standard dans la production de quatre et trois quarks top

Problématique et Motivation
Le quark top, en tant que particule élémentaire la plus lourde du Modèle Standard (MS), joue un rôle critique dans la compréhension de la brisure de la symétrie électrofaible. Les processus de production rares impliquant plusieurs quarks top, spécifiquement la production simultanée de quatre quarks top ($tttt$) et de trois quarks top associés à un boson $W$ ou à un quark léger ($tttW$, $tttq$, collectivement $ttt$), constituent des sondes sensibles pour la physique au-delà du Modèle Standard (BSM). Ces processus sont prédits comme étant augmentés dans divers scénarios BSM, incluant la supersymétrie, la composité, les dimensions supplémentaires, les secteurs de Higgs étendus, ainsi que les modèles impliquant la matière noire ou les particules de type axion. De plus, les modifications du couplage Yukawa du quark top et la présence de résonances lourdes se désintégrant en quarks top peuvent modifier de manière significative les sections efficaces et les distributions cinématiques de ces événements rares. Bien que les analyses précédentes par les collaborations ATLAS et CMS aient observé la production de $tttt$, cet article vise à fournir une interprétation complète des données $tttt$ et $ttt$ dans trois cadres BSM spécifiques : la Théorie de l'Énergie Effective du Modèle Standard (SMEFT), la recherche de résonances lourdes topphiques étroites, et l'extraction de la structure CP du couplage Yukawa du quark top.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur CMS à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV lors de la campagne 2016–2018, correspondant à une luminosité intégrée de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant exactement deux leptons de même signe, trois ou quatre leptons serrés (électrons ou muons), aucun autre lepton lâche, et au moins deux jets avec au moins un jet marqué $b$ ($b$-tagged). La sélection est classée en régions de signal (SR) exclusives et en régions de contrôle (CR) basées sur le nombre de jets ($N_j$), de jets $b$ ($N_b$), de la somme scalaire des impulsions transverses des jets ($H_T$), et de la présence de candidats au boson $Z$.
• Modélisation du signal et du bruit de fond : Le signal $tttt$ est simulé à l'ordre suivant (NLO) en QCD, tandis que la production $ttt$ est simulée à l'ordre NLO en utilisant un schéma de suppression de diagrammes pour éviter tout chevauchement avec $tttt$. Les bruits de fond, incluant $ttZ$, $ttW$, $ttH$ et les sources de leptons non-prompt, sont estimés à l'aide d'une combinaison de simulations et de méthodes basées sur les données (par exemple, la méthode du ratio « tight-to-loose »).
• Discrimination : Des arbres de décision boostés (BDT) multiclasses sont employés pour distinguer le signal $tttt$, la production de top associée ($ttX$), et les bruits de fond $t\bar{t}$.
• Stratégie d'ajustement (Fit) : Des ajustements de vraisemblance sont effectués sur les distributions du score BDT ou sur la distribution de $H_T$, selon le scénario BSM spécifique testé. La distribution $H_T$ est utilisée pour la SMEFT et les recherches de résonances en raison de sa sensibilité aux augmentations à haute énergie, tandis que le score BDT est utilisé pour la mesure de la section efficace du MS et l'extraction du couplage Yukawa. Les incertitudes systématiques, incluant celles liées à la luminosité, aux performances du détecteur et à la modélisation théorique (variations d'échelle, PDF), sont incorporées comme paramètres de nuisance.

Contributions Clés
Ce travail présente la première interprétation simultanée des données de production $tttt$ et $ttt$ au sein d'un cadre d'analyse unique pour trois scénarios BSM distincts :

1. Interprétation SMEFT : Des contraintes sont dérivées sur six coefficients de Wilson de dimension 6 ($c_{tt}$, $c^{(1)}_{QQ}$, $c^{(1)}_{Qt}$, $c^{(8)}_{Qt}$, $c^{\text{Re}}_{tH}$, et $c^{\text{Im}}_{tH}$) qui modifient les interactions de quatre quarks lourds et top-Higgs. Il s'agit de la première analyse optimisée pour la production $tttt$ qui considère ces six opérateurs simultanément.
2. Recherche de Résonance Lourde : Des limites d'exclusion sont fixées sur six modèles simplifiés de résonances lourdes topphiques étroites (bosons scalaires, pseudoscalaires et vectoriels dans des états de singulet et d'octet de couleur) avec des masses allant de 400 GeV à 1,6 TeV.
3. Extraction du Couplage Yukawa : Le couplage Yukawa du quark top est extrait, paramétrant les contributions CP-parité (CP-even, $\kappa_t$) et CP-imparité (CP-odd, $\tilde{\kappa}_t$), en utilisant une paramétrisation qui inclut des termes quartiques pour capturer les effets au-delà de l'approximation linéaire de la SMEFT.

Résultats

• Section Efficace du MS : La section efficace mesurée de la production $tttt$ est $\sigma(tttt) = 18,9^{+4,4}_{-4,0}$ fb, ce qui est cohérent avec la prédiction du MS de $13,4^{+1,0}_{-1,8}$ fb à environ 1,3 écart-type près. Une forte anticorrélation ($\rho = -0,98$) est observée entre les sections efficaces $tttt$ et $ttt$, confirmant que l'analyse expérimentale ne peut pas distinguer les deux processus dans les régions les plus sensibles.
• Contraintes SMEFT : Les données sont statistiquement compatibles avec l'attente du MS (coefficients de Wilson nuls). L'analyse fournit les premières contraintes sur la partie imaginaire du coefficient de Wilson top-Higgs ($c^{\text{Im}}_{tH}$) à partir d'une analyse de production $tttt$. Les intervalles d'exclusion observés pour les opérateurs de quatre quarks lourds sont 12 à 25 % plus serrés que les mesures EFT multileptons précédentes de CMS et 64 à 89 % plus serrés que les mesures de section efficace $tttt$ d'ATLAS.
• Exclusions de Résonance : Aucun excès significatif n'est observé. Des limites d'exclusion sont fixées sur la force de couplage des résonances topphiques en fonction de la masse. Pour les modèles d'octet de couleur, des scénarios physiques sont exclus pour des masses inférieures à 1,4–1,6 TeV. Pour les modèles de singulet de couleur, les limites sont généralement plus faibles, avec des exclusions physiques uniquement pour des masses inférieures à 600–800 GeV.
• Couplage Yukawa : Les modificateurs du couplage Yukawa extraits sont cohérents avec l'attente du MS ($\kappa_t = 1, \tilde{\kappa}_t = 0$) au niveau d'un écart-type. L'intervalle de confiance à 95 % observé pour $|\kappa_t|$ (avec $\tilde{\kappa}_t=0$ fixé) est $0,7 < |\kappa_t| < 1,4$, ce qui est nettement plus serré que les contraintes précédentes dérivées uniquement de la production $tttt$.

Signification
Le papier revendique sa signification principalement par le traitement simultané de la production $tttt$ et $ttt$ comme processus de signal, reconnaissant leur indistinguabilité expérimentale actuelle et leurs schémas de modification similaires sous les scénarios BSM. En employant des observables optimisés ($H_T$ pour la sensibilité à haute énergie et scores BDT pour la pureté) et un cadre d'ajustement unifié, l'analyse parvient à des contraintes améliorées sur les opérateurs SMEFT par rapport aux mesures individuelles précédentes. Ce travail présente les premières contraintes simultanées sur six coefficients de Wilson spécifiques dans une analyse optimisée pour $tttt$ et offre les limites les plus strictes à ce jour sur le couplage Yukawa du quark top dérivées de la production multi-top, tout en établissant des limites d'exclusion sur une large gamme de modèles de résonances lourdes topphiques. Les résultats sont statistiquement compatibles avec le Modèle Standard, renforçant la compréhension actuelle de la physique du quark top tout en fixant des frontières précises pour une potentielle nouvelle physique.