A search for electroweak $t\bar{t}Wj$ production in multileptonic final states at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector and bounds on effective field theory operators

Sintesi Tecnica: Una Ricerca della Produzione Elettrodebole di $t\bar{t}Wj$ in Stati Finali Multileptone

Problema e Motivazione
Il programma di fisica del Large Hadron Collider (LHC) mira a sondare la natura della rottura della simmetria elettrodebole (EWSB) all'interno e oltre il Modello Standard (SM). Sebbene la produzione di coppie di quark top in associazione con un bosone $W$ ($t\bar{t}W$) sia un processo ben noto del SM, la sua componente di produzione elettrodebole in associazione con un jet aggiuntivo ($t\bar{t}Wj_{EW}$) offre un terreno di prova unico. Questo specifico processo contiene un vertice di scattering $tW$, che viene sondato direttamente per la prima volta in questa analisi. A differenza della dominante produzione $t\bar{t}W$ indotta dalla Cromodinamica Quantistica (QCD), il processo $t\bar{t}Wj_{EW}$ è caratterizzato da un jet "forward" con pseudorapidità più elevata.

L'interesse teorico in questo canale deriva dalla sua sensibilità alla fisica Oltre il Modello Standard (BSM). Il vertice di scattering $tW$ esibisce una forte sensibilità potenziata dall'energia agli effetti BSM, in particolare quelli che coinvolgono il legame del quark top con il settore responsabile della EWSB. Le deviazioni in questi accoppiamenti potrebbero manifestarsi come una crescita dell'energia nella sezione d'urto che diverge quadraticamente con il momento. Inoltre, misurazioni recenti della produzione inclusiva di $t\bar{t}W$ a $\sqrt{s}=13$ TeV hanno mostrato tensioni con le previsioni del SM, che sono parzialmente alleviate includendo effetti di ordine superiore. La modellazione precisa di $t\bar{t}W$ con jet aggiuntivi è quindi critica per ridurre le incertezze sui background nelle ricerche di processi rari come $t\bar{t}H$ e $t\bar{t}t\bar{t}$.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore ATLAS durante la Run 2 dell'LHC, corrispondenti a una luminosità integrata di 140 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}=13$ TeV.

• Selezione degli Eventi: La ricerca mira a eventi con una firma dileptonica contenente due leptoni con carica uguale (elettroni o muoni) e almeno quattro jet, con almeno un jet con tag $b$ ($b$-tagged). Questa topologia deriva dalla catena di decadimento in cui il bosone $W$ decade leptonicamente, un quark top decade tramite $W \to \ell\nu b$, e l'altro top decade hadronicamente.
• Discriminazione del Segnale: Per distinguere il segnale ($t\bar{t}Wj_{EW}$) dal dominante background $t\bar{t}Wj$ indotto dalla QCD, l'analisi sfrutta le proprietà cinematiche del jet più forward non $b$-tagged. Nello specifico, viene utilizzata come discriminante la differenza di pseudorapidità ($\Delta\eta_j$) tra questo jet forward e il jet con il quale esso forma la massa invariante più elevata.
• Stima del Background:
  • I background prompt (ad esempio, $t\bar{t}Z$, $VV$, $t\bar{t}W$ QCD) sono stimati utilizzando simulazioni Monte Carlo (MC) normalizzate ai dati tramite un fit simultaneo.
  • I leptoni non-prompt e fake (derivanti da decadimenti di heavy-flavor o jet misidentificati) sono stimati utilizzando un metodo basato sui dati, il Metodo della Matrice (MM).
  • I background di charge-flip (dove la carica di un elettrone viene misidentificata) sono stimati utilizzando eventi di di-elettroni vicino al picco della massa del bosone $Z$.
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di profilo-verosimiglianza binato simultaneamente in una Regione di Segnale (SR) e sette Regioni di Controllo (CR). Le CR sono progettate per vincolare le normalizzazioni dei background (ad esempio, $t\bar{t}Z$, dibosoni, leptoni fake) e sono definite in base alla molteplicità dei jet, alla carica del leptone, al numero di $b$-jet e a variabili cinematiche come $H_T$ e $\Delta\eta_j$.
• Interpretazione EFT: I risultati sono interpretati all'interno del quadro della Teoria Effettiva del Modello Standard (SMEFT), concentrandosi sugli operatori di dimensione-6 $O_{Ht}$ e $O^{(1)}_{HQ}$. Questi operatori modificano gli accoppiamenti elettrodeboli del quark top. L'analisi considera la sensibilità dipendente dall'energia del processo $t\bar{t}Wj_{EW}$, ricategorizzando (re-binning) la SR in base al momento trasverso del leptone principale ($p_T(\ell_0)$) per massimizzare la sensibilità alla crescita quadratica dell'energia predetta da questi operatori. Il fit tiene conto sia delle dipendenze lineari che quadratiche dai coefficienti di Wilson, utilizzando pseudo-dataset per affrontare potenziali violazioni del teorema di Wilks dovute ai termini quadratici.

Contributi Chiave

1. Primo Saggio Diretto dello Scattering $tW$: Questo lavoro presenta la prima sonda sperimentale diretta del vertice di scattering $tW$ incorporato nel processo $t\bar{t}Wj_{EW}$.
2. Separazione dei Contributi EW e QCD: L'analisi isola con successo il contributo elettrodebole dal dominante background QCD utilizzando la cinematica del jet forward, fornendo una misura più pulita del processo EW.
3. Complementarità EFT: Lo studio dimostra l'utilità di combinare le misurazioni di $t\bar{t}Wj_{EW}$ e $t\bar{t}Z$. Sebbene la produzione $t\bar{t}Z$ sia sensibile agli stessi operatori EFT, essa soffre di degenerazioni tra $O_{Ht}$ e $O^{(1)}_{HQ}$. L'inclusione di $t\bar{t}Wj_{EW}$, con la sua distinta dipendenza quadratica dall'energia, aiuta a rimuovere queste degenerazioni, fornendo vincoli più stretti sui coefficienti di Wilson.
4. Controllo del Background Basato sui Dati: L'analisi impiega tecniche sofisticate basate sui dati, in particolare il Metodo della Matrice per i leptoni fake, che è calibrato per tenere conto della sua dipendenza dalla sezione d'urto di $t\bar{t}W$, riducendo così le incertezze di modellazione.

Risultati

• Misura della Sezione d'Urto: La forza del segnale osservata è $\mu_{t\bar{t}Wj_{EW}} = 0.9^{+2.4}_{-3.0}$, coerente con l'aspettativa del Modello Standard di 1.0.
• Limiti Superiori: Un limite superiore al livello di confidenza (CL) del 95% sulla sezione d'urto di $t\bar{t}Wj_{EW}$ è fissato a $\sigma_{t\bar{t}Wj_{EW}} < 251$ fb (limite atteso: 230 fb), da confrontare con la previsione del SM di $47.7^{+1.9}_{-1.4}$ fb.
• Vincoli EFT:
  • Sono stabiliti limiti sui coefficienti di Wilson $c_{Ht}/\Lambda^2$ e $c^{(1)}_{HQ}/\Lambda^2$ (con $\Lambda = 1$ TeV).
  • Quando si fittano entrambi gli operatori simultaneamente, gli intervalli di confidenza al 95% sono determinati come $c_{Ht} \in [-10, -0.96] \cup [1.5, 7.3]$ e $c^{(1)}_{HQ} \in [-12, 0.33] \cup [3.4, 12]$ (in unità di TeV$^{-2}$) considerando sia i processi $t\bar{t}Wj_{EW}$ che $t\bar{t}Z$.
  • L'analisi conferma che il fit combinato di $t\bar{t}Wj_{EW}$ e $t\bar{t}Z$ efficacementmente chiude le direzioni degenerate presenti quando si analizza solo $t\bar{t}Z$.
• Incertezze Sistematiche: La misura è dominata dalle incertezze sistematiche, principalmente la normalizzazione e la modellazione del background QCD $t\bar{t}W$, le incertezze di modellazione dei jet e la stima dei contributi dei leptoni fake.

Significatività
L'articolo conclude che la ricerca è coerente con le aspettative del Modello Standard e che la misura è limitata dalle incertezze sistematiche piuttosto che dalla potenza statistica. La principale significatività risiede nella dimostrazione del processo $t\bar{t}Wj_{EW}$ come una potente sonda per gli operatori EFT che influenzano gli accoppiamenti elettrodeboli del quark top. L'analisi evidenzia l'importanza della sensibilità dipendente dall'energia e la necessità di interpretazioni EFT multi-processo e multi-operatore per disaggregare gli effetti della nuova fisica. Gli autori osservano che, sebbene l'attuale sensibilità sia limitata dalla statistica degli eventi ad alto $p_T$, i futuri dati della Run 3 dell'LHC dovrebbero aumentare questa sensibilità, in particolare nell'esplorare l'interazione tra processi con e senza significativa crescita ad alta energia.