Search for single production of a vector-like T quark decaying to a top quark and a neutral scalar boson in the lepton+jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Sintesi Tecnica: Ricerca della produzione singola di un quark vettoriale-simile che decade in un quark top e un bosone scalare neutro

Problema e Motivazione
Questo articolo presenta una ricerca sulla produzione singola di un quark vettoriale-simile (VLQ) con carica $2e/3$, denotato come $T$, che decade in un quark top ($t$) e un bosone scalare neutro ($\phi$). Il bosone scalare è considerato o come il bosone di Higgs del Modello Standard (SM) o come un nuovo bosone scalare oltre il Modello Standard ($\phi$). Poiché le misurazioni di precisione limitano l'esistenza di una quarta generazione di quark chirali, i quark vettoriali-simili rimangono una previsione valida di varie estensioni del Modello Standard che affrontano il problema della gerarchia. A differenza dei quark chirali, i VLQ acquisiscono massa indipendentemente dalle accoppiamenti di Yukawa. Le ricerche precedenti si sono concentrate ampiamente sulla produzione di coppia o sulla produzione singola in canali di decadimento che coinvolgono $Wb$, $Zt$, o$tH$ (con $H \to$ difotoni o completamente adronici). Questa analisi mira alla specifica topologia di decadimento $T \to t\phi$ (dove $\phi \to b\bar{b}$) nello stato finale leptone+jet, un canale precedentemente inesplorato per la produzione singola di $T$ in un nuovo scalare neutro.

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone a un'energia nel centro di massa di $\sqrt{s} = 13$ TeV raccolti dall'esperimento CMS durante il periodo 2016–2018, corrispondenti a una luminosità integrata di 138 fb$^{-1}$.

• Topologia del Segnale: Il segnale è caratterizzato da un singolo quark $T$ prodotto in associazione con un quark bottom ($bTq$ production). Il $T$ decade in $t\phi$, dove il quark top decade leptonicamente ($t \to Wb \to \ell\nu b$) e il bosone scalare decade in una coppia bottom-antibottom ($\phi \to b\bar{b}$). Lo stato finale consiste in un leptone isolato ($e$ o $\mu$), momento trasverso mancante ($p_T^{miss}$) e molteplici jet, inclusi un jet di colore leggero (light-flavor) frontale e un sistema $b\bar{b}$ "boosted".
• Ricostruzione degli Eventi:
  • Bosone Scalare ($\phi$): Ricostruito come un jet a grande raggio (AK8, $R=0,8$) con $p_T > 500$ GeV. Viene impiegato un deep neural network mass-decorrelato (MD), PARTICLENET-MD, per identificare i jet originanti da decadimenti $X \to b\bar{b}$ (tagger $Xbb$).
  • Quark Top: Ricostruito da un leptone, un jet AK4 e $p_T^{miss}$. Viene sviluppato un approccio basato sull'apprendimento automatico utilizzando un Boosted Decision Tree (BDT) multiclasse per distinguere i veri candidati quark top ($t_{true}$) dal background combinatorio ($t_{QCD}$ e $t_{oth}$). BDT separati sono addestrati per configurazioni merge e risolte, diversi sapori leptone e intervalli di $p_T$.
• Categorizzazione degli Eventi: Gli eventi selezionati sono classificati in regioni mutuamente esclusive basate sulla qualità del tagging del quark top e del tagger $Xbb$:
  • Regioni di Segnale (SRs): Eventi con top tagging stretto (TopT) e tagging $Xbb$ stretto (XbbT), o top tagging lasso (TopL) e tagging $Xbb$ stretto.
  • Regioni di Validazione (VRs): Utilizzate per verificare l'accordo tra dati e background (ad es., TopT/XbbL, TopL/XbbL).
  • Regioni di Controllo (CRs): Utilizzate per calibrare le efficienze di tagging e i tassi di mistag (ad es., TopT/XbbV, LepT/XbbT).
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit simultaneo di massima verosimiglianza sulla distribuzione della massa invariante del candidato quark $T$ ricostruito ($M_{\ell\nu bJ}$) attraverso le SR e le VR. Le incertezze sistematiche (teoriche e sperimentali) sono trattate come parametri di disturbo (nuisance parameters). Il metodo $CL_s$ viene utilizzato per stabilire limiti superiori.

Contributi Chiave

• Nuovo Canale di Decadimento: Questo lavoro fornisce i primi limiti di esclusione sulla produzione singola di un quark $T$ che decade in un quark top e un nuovo bosone scalare neutro ($T \to t\phi$).
• Ricostruzione Ottimizzata: L'analisi introduce un algoritmo di tagging del quark top specializzato basato sul machine learning (BDT) ottimizzato per topologie boosted, migliorando significativamente l'efficienza di identificazione rispetto ai metodi basati su tagli (miglioramento relativo di circa il 30% a un 6% di misidentificazione del background).
• Scansione di Massa Esaustiva: La ricerca copre un ampio intervallo di masse del quark $T$ (1,3–3,0 TeV) e di masse del bosone scalare (25–250 GeV).
• Interpretazione dell'Higgs SM: L'analisi interpreta anche i risultati per il canale $T \to tH$, fornendo vincoli aggiornati su questo specifico modo di decadimento.

Risultati
Non è stata osservata alcuna eccedenza significativa di eventi rispetto al background previsto del Modello Standard. Di conseguenza, sono stati stabiliti limiti superiori al livello di confidenza (CL) del 95% sul prodotto della sezione d'urto di produzione e della frazione di branching ($\sigma \times \mathcal{B}$).

• Canale $T \to t\phi$: Per un nuovo bosone scalare $\phi$, i limiti osservati su $\sigma \times \mathcal{B}(T \to t\phi \to t b\bar{b})$ variano tra 14,7 fb e 0,1 fb per masse di $T$ tra 1,3 e 3,0 TeV, a seconda della massa di $\phi$. Nello specifico, per $m_\phi = 25$ GeV, sono esclusi valori superiori a 2,3–0,1 fb per $m_T \in [1,0, 3,0]$ TeV. Per $m_\phi = 250$ GeV, sono esclusi valori superiori a 14,7–0,3 fb per $m_T \in [1,3, 3,0]$ TeV.
• Canale $T \to tH$: Per il decadimento nel bosone di Higgs dello Standard Model, sono esclusi valori superiori a 100–1,0 fb al 95% CL per $m_T$ tra 1,0 e 3,0 TeV.

Significatività
L'articolo afferma che questi risultati rappresentano i primi limiti di esclusione stabiliti sulla produzione singola di un quark $T$ che decade in un quark top e un nuovo bosone scalare neutro. Inoltre, per il canale di decadimento $T \to tH$, l'analisi fornisce i migliori limiti ad oggi sulle sezioni d'urto di produzione per masse di quark $T$ superiori a 2 TeV. I risultati migliorano tutte le precedenti ricerche CMS per la produzione singola di $T$ nel canale $tH$ per $m_T \ge 1,3$ TeV. L'analisi dimostra una particolare sensibilità ai grandi boost di Lorentz dei prodotti di decadimento, rendendola efficace per scenari di quark $T$ ad alta massa.