Search for a new neutral gauge boson produced in association with one or two b jets and decaying into a pair of muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Sintesi Tecnica: Ricerca di un nuovo bosone di gauge neutro ($Z'$) prodotto in associazione con jet $b$ e con decadimento in dimuoni

Problema e Motivazione
Il Modello Standard (SM) della fisica delle particelle non riesce a spiegare diversi fenomeni osservati, tra cui le masse dei neutrini, l'asimmetria materia-antimateria e la materia oscura. Recenti anomalie nei tassi di decadimento dei mesoni $B$, specificamente nei rapporti $R(K^*)$ e $R(D^*)$, hanno suggerito potenziali violazioni dell'universalità del sapore leptonico nelle transizioni $b \to s\ell\ell$ e $b \to c\ell\nu_\ell$. Sebbene le aggiornate misurazioni di LHCb abbiano alleviato alcune tensioni nelle transizioni $b \to s\ell\ell$, i modelli teorici che propongono un nuovo bosone di gauge neutro ($Z'$) con accoppiamenti non universali ai fermioni di terza generazione rimangono validi. Nello specifico, i modelli che coinvolgono un gruppo di gauge $U(1)_X$ spontaneamente rotto con cariche dipendenti dalla famiglia suggeriscono un bosone $Z'$ che si accoppia preferenzialmente ai quark bottom e ai muoni.

Le precedenti ricerche di bosoni $Z'$ al LHC si sono concentrate principalmente sulla produzione inclusiva tramite fusione di quark leggeri o su regioni ad alta massa ($>350$ GeV). Tuttavia, queste ricerche spesso assumono accoppiamenti universalmente distribuiti per il sapore, il che potrebbe non applicarsi ai modelli che affrontano le anomalie della fisica dei $B$. Esiste una specifica necessità di sondare la regione a bassa massa ($125–350$ GeV) per bosoni $Z'$ prodotti tramite fusione di quark bottom-bottom ($b\bar{b}$) o bottom-strange ($b\bar{s}$), poiché questo modo di produzione è potenziato nei modelli con accoppiamenti non universali, ma è stato meno vincolato dalle ricerche inclusive.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisione protone-protone raccolti dal detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante l'LHC Run 2 (2016–2018), corrispondenti a una luminosità integrata di $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Modello di Segnale: La ricerca mira a una stretta risonanza di spin-1 ($Z'$) (larghezza $<1\%$ della sua massa) che decade in una coppia dimuonica ($\mu^+\mu^-$). Il $Z'$ è prodotto in associazione con uno o due jet, dove almeno un jet è identificato come $b$-tagged. Il modello di riferimento assume accoppiamenti esclusivi con i muoni e i neutrini muonici nel settore leptonico e con i quark bottom (e potenzialmente i quark strange tramite correnti neutre che cambiano il sapore, $\delta_{bs}$) nel settore quark.
• Selezione degli Eventi: Gli eventi sono selezionati richiedendo esattamente due leptoni con segno opposto e stesso sapore (muoni) con $p_T > 53$ GeV e $|\eta| < 2.4$. L'analisi categorizza gli eventi in base alla molteplicità dei jet (1-jet o 2-jet) e allo stato di $b$-tagging. Le regioni di segnale (SR) richiedono almeno un jet $b$-tagged. Le regioni di controllo (CR) sono definite utilizzando coppie dielettroniche o jet di quark leggeri/gluoni per stimare i background.
• Stima del Background: A causa delle discrepanze osservate tra simulazione e dati nelle misurazioni della sezione d'urto Drell-Yan più $b$-jet, la stima del background si affida interamente a metodi basati sui dati utilizzando una tecnica di matrice ABCD.
  • Il metodo utilizza due variabili non correlate: il sapore leptonico (muone vs elettrone) e lo stato di $b$-tagging ($b$-tagged vs non $b$-tagged).
  • La resa del segnale nella regione dimuonica $b$-tagged è predetta utilizzando le rese da tre regioni di controllo: dielettronica $b$-tagged, dimuonica non $b$-tagged e dielettronica non $b$-tagged.
  • I fattori di trasferimento derivati dalle regioni non $b$-tagged correggono le differenze di accettanza e risoluzione tra elettroni e muoni.
• Incertezze Sistematiche: Le incertezze includono quelle derivanti da efficienza del trigger, ricostruzione/identificazione del leptone, scala/risoluzione dell'energia del jet, efficienza di $b$-tagging, modellazione del pileup e funzioni di distribuzione dei partoni (PDF). Un'incertezza specifica è assegnata alla chiusura del metodo ABCD basata sulle variazioni di fit nelle regioni di controllo.
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di massima verosimiglianza simultaneo attraverso gli anni di raccolta dati e le categorie di molteplicità dei jet. I limiti vengono stabiliti sulla sezione d'urto moltiplicata per la frazione di branching, l'accettanza e l'efficienza ($\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$) utilizzando l'approssimazione asintotica al livello di confidenza (CL) del 95%.

Contributi Chiave

• Primi Risultati nella Gamma a Bassa Massa: Questo articolo presenta i primi limiti specifici sulla produzione di $Z'$ tramite fusione di quark bottom nell'intervallo di massa $125–200$ GeV.
• Vincoli Stringenti sulla Fusione $b$: Per l'intervallo di massa $200–350$ GeV, i risultati forniscono i vincoli più stringenti ad oggi sulla produzione di $Z'$ nei modi che coinvolgono la fusione di quark bottom ($b\bar{b}$ e $b\bar{s}$), completando le ricerche inclusive di $Z'$.
• Presentazione Indipendente dal Modello: I risultati sono forniti in modo indipendente dal modello, offrendo valori di accettanza ed efficienza dipendenti dal processo per sette distinte categorie di produzione (es. $0b(b-s)$, $0b(b-b)$, $1b$, $1s$, $1b+1s$, $2b$, $2s$). Ciò consente la reinterpretazione per vari modelli teorici oltre il benchmark specifico.
• Background Basato sui Dati: L'analisi evita l'uso di simulazioni Monte Carlo potenzialmente imprecise per i background dominanti, impiegando una strategia di stima ABCD robusta e completamente basata sui dati.

Risultati

• Osservazione: Non è stata osservata alcuna deviazione significativa dall'ipotesi di solo background nei dati. Le distribuzioni dei dati osservati nelle regioni di segnale sono coerenti con le predizioni del background ABCD entro le incertezze.
• Limiti di Esclusione: Sono stati stabiliti limiti superiori al 95% CL sulla sezione d'urto $\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$ per masse di $Z'$ tra 125 e 350 GeV. I limiti di sezione d'urto esclusi variano approssimativamente da $0.2$a$2$ fb.
• Significatività Locale: È stata osservata una deviazione locale di $3.1$ deviazioni standard nella regione di segnale a 1-jet (SR^\mu_\mu_b) a una massa di $230$ GeV. Tuttavia, tenendo conto dell'effetto "look-elsewhere" su entrambe le regioni di segnale, la significatività globale si riduce a $0.5$ deviazioni standard, coerente con una fluttuazione del background.
• Accettanza ed Efficienza: Tabelle dettagliate (Tabelle 5–11) forniscono l'accettanza moltiplicata per l'efficienza per ogni categoria di produzione e regione di segnale, facilitando la reinterpretazione di questi limiti per specifici modelli teorici.

Significatività
L'articolo afferma che questi risultati rappresentano un complemento cruciale alle esistenti ricerche inclusive di $Z'$. Mirando al meccanico di produzione specifico della fusione di quark bottom, l'analisi sonda una regione dello spazio dei parametri che è meno vincolata dai modelli che assumono l'universalità del sapore. I risultati escludono o vincolano efficacementamente specifici modelli di $Z'$ che propongono accoppiamenti non universali ai fermioni di terza generazione nell'intervallo di massa $125–350$ GeV, in particolare quelli motivati dalle anomalie della fisica dei $B$. La fornitura di limiti indipendenti dal modello e di fattori di accettanza assicura che questi risultati rimangano preziosi per testare futuri sviluppi teorici nella fisica oltre il Modello Standard.