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

Résumé technique : Recherche de la production de paires de quarks de type vectoriel $T$ se désintégrant en un quark top et une particule de spin 0 dans l'état final diphoton

Problème et motivation
Suite à la découverte du boson de Higgs en то12, la physique des hautes énergies s'est concentrée sur la détermination de la nature fondamentale ou composite du Higgs et sur la résolution du problème de la hiérarchie. Des théories telles que la compositeness partielle proposent l'existence de quarks de type vectoriel (VLQ), spécifiquement des partenaires du top ($T$), qui se mélangent avec les fermions du Modèle Standard (SM). Alors que les recherches précédentes ont largement supposé que les VLQ se désintègrent en particules du SM (par exemple, $T \to tH, tZ, tW, bW$), les modèles impliquant la compositeness prédisent souvent des scalaires ou pseudoscalaires exotiques supplémentaires ($S$). Dans de tels scénarios, un partenaire du top pourrait se désintégrer via $T \to St$, où $S$ est une nouvelle particule de spin 0. Si $S$ se désintègre en particules du SM, ces désintégrations en cascade représentent une topologie de recherche qui n'a pas encore été explorée par les collaborations ATLAS ou CMS. Cette analyse cible le processus spécifique de production de paires de VLQ ($pp \to T\bar{T}$) où un $T$ se désintègre via $T \to St \to t\gamma\gamma$ et l'autre via $T \to St \to tX$, où $X$ représente n'importe quel état final autorisé ($\gamma\gamma, Z\gamma, WW, ZZ, t\bar{t}$).

Méthodologie
L'analyse utilise l'ensemble complet des données du Run 2 collectées par le détecteur ATLAS à $\sqrt{s}=13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$.

• Sélection des événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant au moins deux photons isolés avec une énergie transverse $E_T > 38$ GeV et une pseudorapidité $|\eta| < 2,47$ (en excluant la région de transition entre le barillet et l'endcap). Au moins un jet avec marquage $b$ ($b$-tag) est requis. La masse invariante du système diphoton ($m_{\gamma\gamma}$) doit être supérieure à 150 GeV pour éviter la région de la masse du boson de Higgs.
• Discriminant cinématique : Le principal discriminant contre le bruit de fond du Modèle Standard est la somme scalaire des impulsions transverses de tous les objets visibles (jets, leptons, photons) plus l'impulsion transverse manquante ($E_T^{\text{miss}}$), notée $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Cette variable est choisie car les produits de désintégration de résonances lourdes sont censés avoir de grandes impulsions transverses, tandis que les processus du SM peuplent la partie inférieure de ce spectre.
• Modélisation du signal et du bruit de fond :
  • Signal : Simulé à l'aide de MadGraph5_aMC@NLO avec Pythia 8 pour le shower de partons. Les échantillons de signal couvrent des masses de $T$ ($m_T$) de 1000 à 1800 GeV et des masses de $S$ ($m_S$) de 200 à 1200 GeV. L'analyse suppose un rapport de branchement de 100 % pour $T \to St$.
  • Bruit de fond : Le bruit de fond diphoton continu est estimé par une approche basée sur les données. Des régions de contrôle (CR) sont définies dans des plages de $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ plus faibles pour fournir des modèles de bruit de fond. La forme du bruit de fond dans les régions de signal (SR) est paramétrée par une fonction exponentielle, $f(m_{\gamma\gamma}) = N e^{-m_{\gamma\gamma}/\tau}$, avec des paramètres ajustés aux données.
• Analyse statistique : Un ajustement de vraisemblance simultané non binné est effectué sur quatre régions de signal définies par des seuils croissants de $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Les incertitudes systématiques, incluant celles provenant de la modélisation du bruit de fond (signal spécieux), de l'échelle/résolution d'énergie des photons et de la luminosité, sont incorporées via des paramètres de nuisance.

Contributions clés

• Nouvelle topologie de recherche : Il s'agit de la première recherche ATLAS de production de paires de VLQ se désintégrant via un particule de spin 0 exotique dans un état final diphoton. Elle comble une lacune dans les recherches précédentes sur les VLQ qui supposaient généralement des désintégrations directes vers des bosons du SM.
• Résultats indépendants du modèle : Bien que la recherche soit motivée par des modèles de cascade spécifiques, les résultats sont présentés dans un volume fiducial défini par des exigences cinématiques sur les photons. Cela permet de réinterpréter les limites dans une grande variété de modèles phénoménologiques au-delà du scénario spécifique $T \to St$.
• Espace de paramètres complet : L'analyse couvre une large gamme de masses ($m_T \in [1000, 1800]$ GeV, $m_S \in [200, 1200]$ GeV), n'excluant que les régions cinématiquement supprimées où $m_S > m_T - m_t$.

Résultats

• Observation : Aucun excès significatif par rapport au bruit de fond attendu du Modèle Standard n'est observé dans aucune des régions de signal. Les données sont cohérentes avec l'hypothèse du seul bruit de fond, les déviations restant dans les limites de $2\sigma$.
• Limites d'exclusion : Des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % CL sont fixées sur la section efficace de production fiduciale multipliée par le rapport de branchement, $\sigma_{\text{fid}}(pp \to T\bar{T}) \times \mathcal{B}(S \to \gamma\gamma) \times \mathcal{B}(S \to X)$, en fonction de $m_T$ et $m_S$.
• Interprétation du modèle : Les résultats sont interprétés dans le cadre d'un modèle spécifique de compositeness partielle (Réf. [61]). Dans ce modèle, en supposant des masses dégénérées pour les VLQ et les particules de spin 0, l'analyse exclut les masses de $T$ inférieures à $m_T = 1620$ GeV pour le scénario où les particules de spin 0 se désintègrent en états non photoniques (le cas $2\gamma$, correspondant à un $S \to \gamma\gamma$ et l'autre vers des modes non photoniques). Les limites d'exclusion sont plus faibles pour les scénarios impliquant plus de photons (par exemple, des états finaux $3\gamma$ ou $4\gamma$) en raison de rapports de branchement plus faibles ou d'une acceptation moindre.

Signification
Le papier revendique sa signification principalement en tant que recherche pionnière dans un canal de désintégration inexploré pour les quarks de type vectoriel. En ciblant la cascade $T \to St$ avec $S \to \gamma\gamma$, l'analyse étend la sensibilité des recherches de VLQ aux scénarios impliquant des scalaires exotiques, qui sont prédits par les modèles de Higgs composite mais étaient auparavant non contraints par ATLAS. L'absence de signal observé permet à la collaboration de fixer les premières contraintes sur cette topologie spécifique, réduisant ainsi l'espace de paramètres viable pour les modèles prédisant des partenaires du top se désintégrant via de nouveaux médiateurs de spin 0. Les résultats sont présentés avec un haut degré d'indépendance vis-à-vis du modèle dans le volume fiducial, garantissant leur utilité pour de futures réinterprétations.