$t \bar{t}$ production as a window to invisible new physics

Sintesi Tecnica: La produzione di $t\bar{t}$ come finestra sulla Nuova Fisica Invisibile

Problema e Motivazione
Nonostante numerose proposte teoriche per la Materia Oscura (DM), nessuna osservazione sperimentale è stata confermata. Uno degli obiettivi primari delle ricerche attuali è lo sviluppo di metodi per rilevare o escludere i candidati DM, in particolare quelli che interagiscono con il Modello Standard (SM) tramite una particella mediatrice. Recenti osservazioni da parte delle collaborazioni ATLAS e CMS di un incremento nella sezione d'urto della produzione di $t\bar{t}$ vicino alla soglia hanno rinnovato l'interesse per scenari Beyond-the-Standard-Model (BSM) che coinvolgono mediatori pseudoscalari accoppiati ai quark top. Sebbene la dinamica dello SM possa spiegare una parte significativa di questo incremento, rimane spazio per contributi aggiuntivi. Questo studio affronta la necessità di sondare la sensibilità ai mediatori di materia oscura invisibile prodotti in associazione con una coppia $t\bar{t}$ al Large Hadron Collider (LHC), estendendo il lavoro precedente sui mediatori scalari per includere mediatori spin-1 (vettore e assiale-vettore).

Metodologia
Gli autori impiegano un approccio fenomenologico utilizzando il modello di DM semplificato DMsimp, che include mediatori spin-0 ($Y_0$) e spin-1 ($Y_1$) che interagiscono con un settore oscuro di fermioni di Dirac. L'analisi si concentra sul processo $pp \to t\bar{t}Y$, dove $Y$ è un mediatore invisibile con una massa fissa di $m_Y = 5$ GeV.

• Generazione degli Eventi: I campioni di segnale per $pp \to t\bar{t}Y_0$ (spin-0) e $pp \to t\bar{t}Y_1$ (spin-1) sono stati generati utilizzando MadGraph5_aMC@NLO a $\sqrt{s} = 13$ TeV. I segnali spin-0 sono stati generati al Leading Order (LO), mentre i segnali spin-1 sono stati generati al Next-to-Leading Order (NLO) in QCD per garantire l'accuratezza a basse masse del mediatore. L'analisi considera solo il canale di decadimento dileptonico del sistema $t\bar{t}$ ($t\bar{t} \to b\ell^+\nu_\ell \bar{b}\ell^-\bar{\nu}_\ell$).
• Simulazione e Ricostruzione: Gli eventi sono stati elaborati attraverso uno showering di partoni (PYTHIA) e una simulazione rapida del detector (Delphes) con parametri ATLAS. Una caratteristica metodologica chiave è la ricostruzione cinematica del sistema $t\bar{t}$ senza ricostruire esplicitamente il mediatore invisibile. Ciò comporta:
  1. L'assegnazione dei jet ai quark $b$ utilizzando un Boosted Decision Tree con Gradient boosting (BDTG) addestrato su distribuzioni a livello di partone (ad esempio, $\Delta R$, $\Delta \phi$, $\Delta \theta$ tra leptoni e $b$-jet) per distinguere le combinazioni corrette da quelle errate.
  2. La risoluzione di un sistema di equazioni cinematiche basate sui vincoli di massa di $W$ e top e sull'energia trasversa mancante ($E_T^{miss}$) per ricostruire i momenti dei neutrini.
• Osservabili: Lo studio utilizza due osservabili angolari sensibili alla CP per discriminare tra le ipotesi:
  1. $\Delta \phi_{\ell^+\ell^-}$: l'angolo azimutale tra i leptoni carichi.
  2. $b_4$: definita come $p_z^t \cdot p_z^{\bar{t}} / (|\vec{p}_t| \cdot |\vec{p}_{\bar{t}}|)$, che rappresenta il prodotto dei coseni polari dei quark top e anti-top nel sistema di riferimento del laboratorio.
• Analisi Statistica: I limiti di esclusione del Livello di Confidenza (CL) sono stati calcolati per vari scenari confrontando i background dello SM con ipotesi di segnale che coinvolgono mediatori spin-0 o spin-1 puri o misti.

Contributi Chiave

1. Estensione ai Mediatori Spin-1: Il lavoro estende le analisi precedenti dei mediatori scalari per includere mediatori spin-1 ($Y_1$) con accoppiamenti vettori ($g_V$) e assiali-vettori ($g_A$) ai quark top.
2. Efficienza della Ricostruzione Cinematica: Gli autori dimostrano che la ricostruzione cinematica completa del sistema $t\bar{t}$ rimane efficace anche in presenza di un mediatore spin-1 leggero. Sebbene l'efficienza di ricostruzione scenda leggermente rispetto al caso spin-0 (68% per il vettore, 48% per l'assiale-vettore a $m_Y=5$ GeV), una frazione significativa di eventi sopravvive, suggerendo che le analisi standard di $t\bar{t}$ siano sensibili a tali particelle invisibili.
3. Vincoli di Unità Perturbativa: Il documento affronta esplicitamente i vincoli imposti dall'unità perturbativa sugli accoppiamenti assiali-vettori. Evidenzia che, per mediatori leggeri, la sezione d'urto assiale-vettore scala come $1/m_Y^2$ a causa della non conservazione della corrente assiale, richiedendo una correlazione tra l'accoppiamento $g_A$ e la massa del mediatore per rimanere entro i limiti perturbativi.
4. Potere di Discriminazione: Lo studio quantifica la capacità delle osservabili angolari di distinguere tra diverse ipotesi di spin e CP (scalare, pseudoscalare, vettore, assiale-vettore).

Risultati

• Limiti di Esclusione: Per una luminosità integrata di $3000 \text{ fb}^{-1}$ (HL-LHC), l'analisi stabilisce limiti di esclusione stringenti sugli accoppiamenti $g_V/g_V^{SM}$ e $g_A/g_A^{SM}$. I limiti sugli accoppiamenti assiali-vettori sono significativamente più forti di quelli per gli accoppiamenti vettori a causa della sezione d'urto maggiore.
• Sensibilità delle Osservabili:
  • L'osservabile $b_4$ è identificato come la sonda più sensibile per distinguere la natura della parità (P) dei mediatori spin-1 (distinguendo vettore da assiale-vettore) e per escludere componenti scalari in presenza di un mediatore vettoriale.
  • L'osservabile $\Delta \phi_{\ell^+\ell^-}$ si rivela più efficace per distinguere componenti pseudoscalari dai mediatori vettori, poiché le distribuzioni di $b_4$ per i casi vettoriale e pseudoscalare sono troppo simili.
• Analisi degli Scenari:
  • Scenario 1 (Null SM): L'analisi può escludere la presenza di mediatori spin-1 con accoppiamenti significativamente inferiori ai valori benchmark.
  • Scenari 2 & 3 (Null di Scoperta): Assumendo una scoperta di un mediatore puramente vettoriale o assiale-vettore, lo studio mostra che le osservabili angolari possono vincolare efficacemente la presenza di stati misti (ad esempio, vettore + scalare, vettore + pseudoscalare). Tuttavia, distinguere un mediatore puramente vettoriale da uno pseudoscalare rimane impegnativo a basse luminosità ($200 \text{ fb}^{-1}$), specialmente se l'accoppiamento vettoriale è piccolo.
• Vincoli sull'Higgs: Un appendice deriva un limite sull'accoppiamento vettoriale $g_V$ dalla larghezza di decadimento invisibile dell'Higgs ($h \to Y_1 Y_1$) tramite un loop di quark top. Il limite risultante ($|g_V| \lesssim 1.04$) è trovato essere più debole dei limiti di esclusione derivati dall'analisi $t\bar{t}$ ad alta luminosità.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene che gli stati finali $t\bar{t}$ all'LHC fungano da potente framework non solo per la ricerca di particelle invisibili, ma anche per la caratterizzazione delle loro proprietà fondamentali (spin e parità) in caso di una scoperta. Gli autori sottolineano che:

• Le tecniche di ricostruzione cinematica utilizzate per le analisi standard di $t\bar{t}$ sono sufficientemente robuste da mantenere la sensibilità agli eventi contenenti mediatori invisibili leggeri.
• Le osservabili angolari sensibili alla CP forniscono il potere di discriminazione necessario per differenziare tra scenari vettoriali, assiali-vettori, scalari e pseudoscalari.
• Sebbene l'alta luminosità (HL-LHC) migliori significativamente la capacità di distinguere tra le ipotesi, alcune regioni dello spazio dei parametri (ad esempio, distinguere un vettore puro da uno pseudoscalare a bassi accoppiamenti) rimangono non vincolate, implicando che particelle invisibili potrebbero esistere negli eventi $t\bar{t}$ senza produrre firme chiaramente distinguibili in questo specifico canale da solo.
• I risultati evidenziano la complementarità delle ricerche $t\bar{t}$ con altre sonde, come le misurazioni della larghezza invisibile dell'Higgs, per vincolare i settori oscuri "top-philic".