⚛️ high-energy experiments

Search for scalar leptoquarks produced via muon-quark scattering 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 présente la première recherche de leptoquarks scalaires à l'échelle du TeV produits via la diffusion muon-quark, ne trouvant aucune preuve de leur existence et établissant de nouvelles limites d'exclusion qui étendent la couverture précédente jusqu'à des masses comprises entre 1,5 et 3,6 TeV pour LQ(u $\mu$ ) et au-dessus de 1,8 TeV pour LQ(b $\mu$ ).

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-08-31

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

L'univers est construit à partir d'un petit ensemble d'ingrédients fondamentaux, pourtant les règles régissant la manière dont ils interagissent restent l'un des grands mystères de la physique moderne. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que les familles de particules connues sous le nom de quarks et de leptons ne sont pas aussi distinctes qu'elles le paraissent. Les quarks sont les blocs de construction des protons et des neutrons, tandis que les leptons incluent l'électron familier et l'insaisissable neutrino. Si ces deux groupes sont véritablement liés, il devrait exister un pont les reliant — une particule capable de transformer un quark en lepton ou vice versa. Ce pont hypothétique est appelé leptoquark. La découverte d'une telle particule serait une découverte monumentale, offrant un aperçu d'une symétrie plus profonde de la nature et expliquant potentiellement pourquoi l'univers possède les propriétés spécifiques qu'il a aujourd'hui.

Pendant des décennies, des chercheurs ont traqué ces particules, mais elles n'ont pas été trouvées. Cette absence est déroutante car de nombreuses théories prédisant leur existence sont convaincantes. La recherche a pris un nouveau tournant, s'éloignant de la méthode traditionnelle consistant à fracasser deux protons ensemble pour créer une paire de ces particules. Au lieu de cela, une équipe de scientifiques utilisant le détecteur Compact Muon Solenoid (CMS) au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) en Suisse a cherché un processus différent, plus subtil. Ils ont recherché un leptoquark unique créé lorsqu'un muon, un cousin lourd de l'électron, à l'intérieur d'un proton, entre en collision avec un quark à l'intérieur de l'autre proton. Ce scénario repose sur le fait que les protons ne sont pas seulement de simples sacs de quarks ; ce sont des nuages d'énergie bouillonnants où des particules et des antiparticules apparaissent et disparaissent constamment. Occasionnellement, cette activité quantique produit un muon qui peut agir comme un projectile dans une collision.

Les chercheurs ont analysé un ensemble massif de données de collisions enregistrées entre 2016 et 2018, correspondant à une luminosité intégrée de 138 femtobarns inverses. Ils se sont concentrés sur les événements où la collision a produit un muon de haute énergie et un jet de particules, qui est l'éventail de débris laissé derrière quand un quark est éjecté. Ils ont spécifiquement recherché les cas où le muon et le jet semblaient provenir de la désintégration d'une particule unique et lourde. L'équipe a examiné deux possibilités principales : un leptoquark qui se désintègre en un muon et un quark up, et un autre qui se désintègre en un muon et un quark bottom. Pour trouver le signal, ils ont utilisé un programme informatique sophistiqué entraîné à distinguer les motifs subtils d'une potentielle nouvelle particule du bruit de fond écrasant des interactions de particules ordinaires. Ils ont cherché une valeur de masse spécifique où le muon et le jet apparaîtraient systématiquement ensemble, ce qui indiquerait la présence d'une nouvelle particule.

Après avoir passé les données au crible, les scientifiques n'ont trouvé aucune preuve de leptoquark. La distribution des masses du muon et du jet correspondait parfaitement aux prédictions de la physique connue, ne montrant aucun pic ou bosse inattendu qui signalerait une nouvelle découverte. Bien que cela signifie que le leptoquark reste caché, l'étude est loin d'être un échec. En ne trouvant pas la particule, les chercheurs ont pu tracer une ligne très précise dans le sable. Ils ont déterminé que si ces particules existent, elles ne peuvent pas être plus légères que 1,5 à 3,6 billions d'électron volts, selon la force avec laquelle elles interagissent avec la matière environnante. Cette plage couvre des masses qui étaient auparavant non contraintes par d'autres types de recherches.

Les résultats écartent efficacement l'existence de ces types spécifiques de leptoquarks dans les plages de masse et de force d'interaction testées. Pour le scénario impliquant un quark up, ils ont exclu les particules ayant des masses comprises entre 1,5 et 3,6 billions d'électron volts et des forces d'interaction comprises entre 0,2 et 0,6. Pour le scénario impliquant un quark bottom, ils ont exclu les masses supérieures à 1,8 billion d'électron volts avec des forces d'interaction supérieures à 1. Ces limites sont nettement plus strictes que les recherches précédentes, qui se concentraient sur la création de paires de leptoquarks plutôt que sur des leptoquarks uniques. L'étude démontre que la nouvelle méthode de recherche de particules uniques produites par des collisions muon-quark est un outil puissant, capable de sonder des régions de la physique qui étaient auparavant inaccessibles.

L'absence de découverte ne signifie pas que la recherche est terminée ; elle affine plutôt la carte de l'endroit où les scientifiques devraient chercher ensuite. En repoussant les limites de ce qui est possible de détecter, ce travail réduit le champ des recherches pour les expériences futures. Si les leptoquarks existent, ils doivent être plus lourds ou interagir plus faiblement que les limites fixées par cette analyse. La prochaine génération d'accélérateurs et de détecteurs de particules devra atteindre des énergies encore plus élevées ou des sensibilités plus grandes pour les trouver. Pour l'instant, l'univers garde son secret, mais le chemin pour le découvrir est devenu plus clair et plus défini que jamais.

Résumé technique : Recherche de leptoquarks scalaires produits par la diffusion muon-quark

Problématique et motivation
Le Modèle Standard (MS) décrit avec succès les interactions des particules élémentaires, mais laisse inexpliqué les similitudes entre les familles de quarks et de leptons. Les leptoquarks (LQ), bosons hypothétiques portant à la fois des nombres de lepton et de baryon, sont prédits par diverses extensions du MS, incluant les théories de grande unification, les modèles composites et la supersymétrie. Ils sont également proposés comme explications potentielles des anomalies dans les désintégrations de mésons $B$ semileptoniques et du moment magnétique anomal du muon.

Alors que les recherches précédentes au LHC se sont concentrées sur la production par paire ou la production simple non résonante, la production de LQ via des processus induits par des leptons (spécifiquement la diffusion muon-quark) a été historiquement difficile à étudier en raison des incertitudes liées au contenu leptonique du proton. Des avancées récentes dans les fonctions de distribution de partons (PDF), particulièrement le formalisme LUX, prédisent une section efficace non négligeable pour la production simple de LQ via la fusion d'un muon (généré via des fluctuations quantiques d'un photon au sein du proton) et d'un quark provenant du proton opposé. Cet article présente la première recherche de leptoquarks scalaires à l'échelle du TeV produits via ce mécanisme spécifique de diffusion $\mu q$ .

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, correspondant à une luminosité intégrée de $138 \text{ fb}^{-1}$ collectée entre 2016 et 2018.

Hypothèses de signal : La recherche cible des LQ scalaires ayant des charges électriques de $(1/3)e$ et $(2/3)e$ , se désintégrant en un muon et un quark up ( $LQ(u\mu)$ ) ou un quark bottom ( $LQ(b\mu)$ ). L'analyse suppose que le LQ se couple à une seule saveur de lepton.
Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant au moins un muon à impulsion transverse ( $p_T$ $p_{T}$ ) élevée et au moins un jet. L'ensemble de données est divisé en deux régions de signal (SR) basées sur le nombre de muons reconstruits : une SR à un muon ( $N_\mu = 1$ $N_{μ} = 1$ ) et une SR à deux muons ( $N_\mu = 2$ $N_{μ} = 2$ ).
- Coupures cinématiques : Le muon de tête doit avoir un $p_T > 55$ GeV, et le jet de tête un $p_T > 100$ GeV. La masse invariante du système muon-jet ( $M_{\mu j}$ ) doit être $> 300$ GeV. Les événements contenant des électrons sont éliminés (veto) pour supprimer les fonds de bosons $Z$ .
- Suppression du fond : Un arbre de décision boosté (BDT) est entraîné pour distinguer le signal du fond (dominé par les processus $W$ +jets, $t\bar{t}$ +jets et Drell-Yan). Le BDT utilise des variables cinématiques telles que le rapport de $p_T$ du muon sur celui du jet, les angles azimutaux et l'impulsion transverse manquante.
- Catégorisation : Les événements sont ensuite catégorisés par score BDT (serré vs large) et selon que le jet de tête est identifié comme un jet $b$ ( $b$ -tagged), résultant en huit catégories d'analyse distinctes.
Analyse statistique : L'observable principale est la distribution de la masse invariante $M_{\mu j}$ . Un ajustement de maximum de vraisemblance est effectué simultanément sur toutes les catégories. Le fond du MS est modélisé par une fonction empirique ( $B(x) = p_0(1-x)^{p_1}/x^{p_2}$ ), tandis que le signal est modélisé par des templates simulés interpolés à travers les paramètres de masse ( $M_{LQ}$ ) et de couplage ( $\lambda$ ). Les limites supérieures sont fixées en utilisant le critère fréquentiste modifié $CL_s$ .

Contributions clés

Mécanisme de production novateur : Ce travail constitue la première recherche expérimentale de leptoquarks scalaires ciblant spécifiquement la production résonante via la diffusion muon-quark, en exploitant la composante de lepton chargé du proton.
Espace des paramètres étendu : L'analyse étend la couverture de recherche pour les LQ dans le plan masse-couplage au-delà des limites précédentes. Elle cible spécifiquement les régions où la section efficace de production induite par les leptons domine la production par paire (grand $\lambda$ et $M_{LQ}$ élevé).
Modélisation robuste du fond : L'étude emploie une estimation du fond basée sur les données à l'aide de fonctions empiriques flexibles validées par des tests d'injection de signal, garantissant un biais minimal dans l'extraction des limites de signal.

Résultats
Les données observées sont en accord avec les prédictions du seul fond. Aucun excès significatif n'est observé dans le spectre $M_{\mu j}$ . Par conséquent, des limites supérieures au niveau de confiance (CL) de 95 % sont fixées sur le produit de la section efficace de production du LQ et de son rapport de branchement vers l'état final $\mu q$ ( $\sigma \mathcal{B}$ ).

Les résultats excluent des régions spécifiques dans le plan $(M_{LQ}, \lambda)$ :

Pour le scénario $LQ(u\mu)$ : Les masses comprises entre 1,5 et 3,6 TeV sont exclues pour des couplages compris entre 0,2 et 0,6.
Pour le scénario $LQ(b\mu)$ : Les masses supérieures à 1,8 TeV sont exclues pour des couplages supérieurs à 1.

Ces exclusions améliorent les recherches antérieures du CMS en étendant la couverture vers les régions où le mécanisme de production simple résonnante est le mode de production dominant, un régime où les recherches par production par paire ont une sensibilité réduite en raison de la suppression de l'espace des phases.

Signification
L'article affirme que ces résultats représentent une étape significative dans l'exploration de l'espace des paramètres des leptoquarks en utilisant un mécanisme de production qui était auparavant inexploré en raison des incertitudes des PDF. En démontant la faisabilité de la recherche de LQ via des processus induits par les leptons, l'analyse fournit des contraintes complémentaires à celles dérivées de la production par paire et de la production simple non résonante. L'auteur note que les résultats sont conservateurs, car ils ne considèrent que le mécanisme de production induit par les leptons, bien que des contrôles croisés confirment que l'analyse reste sensible même si d'autres modes de production sont présents.

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