Search for physics beyond the standard model in four and three top quark production events using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Sintesi Tecnica: Ricerca di Fisica BSM nella produzione di quattro e tre quark top

Problema e Motivazione
Il quark top, essendo la particella elementare più pesante del Modello Standard (SM), svolge un ruolo critico nella comprensione della rottura della simmetria elettrodebole. I processi di produzione rari che coinvolgono multipli quark top, specificamente la produzione simultanea di quattro quark top ($tttt$) e tre quark top in associazione con un bosone $W$ o un quark leggero ($tttW$, $tttq$, collettivamente $ttt$), fungono da sonde sensibili per la fisica oltre il Modello Standard (BSM). Si prevede che questi processi siano potenziati in vari scenari BSM, inclusi la supersimmetria, la compositività, le dimensioni extra, i settori di Higgs estesi e i modelli che coinvolgono la materia oscura o le particelle simili ad assioni. Inoltre, le modifiche all'accoppiamento Yukawa del quark top e la presenza di risonanze pesanti che decadono in quark top possono alterare significativamente le sezioni d'urto e le distribuzioni cinematiche di questi eventi rari. Sebbene analisi precedenti condotte dalle collaborazioni ATLAS e CMS abbiano osservato la produzione di $tttt$, questo articolo mira a fornire un'interpretazione completa dei dati $tttt$e$ttt$ all'interno di tre specifici framework BSM: la Teoria dell'Efficacia del Modello Standard (SMEFT), la ricerca di strette risonanze toppiliche pesanti e l'estrazione della struttura CP dell'accoppiamento Yukawa del quark top.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisioni protone-protone registrati dal rivelatore CMS a un'energia nel centro di massa di $\sqrt{s} = 13$ TeV durante la corsa 2016–2018, corrispondente a una luminosità integrata di $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Selezione degli Eventi: Gli eventi sono selezionati richiedendo esattamente due leptoni same-sign, tre o quattro leptoni "tight" (elettroni o muoni), nessun leptone "loose" aggiuntivo, e almeno due jet con almeno un jet con tag $b$. La selezione è suddivisa in regioni di segnale (SR) esclusive e regioni di controllo (CR) basate sul numero di jet ($N_j$), $b$-jet ($N_b$), la somma scalare dei momenti trasversi dei jet ($H_T$) e la presenza di candidati al bosone $Z$.
• Modellazione del Segnale e del Background: Il segnale $tttt$ è simulato al livello next-to-leading order (NLO) in QCD, mentre la produzione $ttt$ è simulata a NLO utilizzando uno schema di rimozione dei diagrammi (diagram removal) per evitare sovrapposizioni con $tttt$. I background, inclusi $ttZ$, $ttW$, $ttH$ e le sorgenti di leptoni non-prompt, sono stimati utilizzando una combinazione di simulazione e metodi basati sui dati (ad esempio, il metodo del rapporto "tight-to-loose").
• Discriminazione: Vengono impiegati alberi decisionali potenziati (BDT) multiclasse per distinguere tra il segnale $tttt$, la produzione di top associata ($ttX$) e i background $t\bar{t}$.
• Strategia di Fit: I fit di verosimiglianza (likelihood fits) sono eseguiti sulle distribuzioni dello score BDT o sulla distribuzione $H_T$, a seconda dello specifico scenario BSM testato. La distribuzione $H_T$ è utilizzata per SMEFT e per le ricerche di risonanze, grazie alla sua sensibilità agli incrementi ad alta energia, mentre lo score BDT è utilizzato per la misura della sezione d'urto SM e l'estrazione dell'accoppiamento Yukawa. Le incertezze sistematiche, incluse quelle relative alla luminosità, alle prestazioni del rivelatore e alla modellizzazione teorica (variazioni di scala, PDF), sono incorporate come parametri di disturbo (nuisance parameters).

Contributi Chiave
Questo lavoro presenta la prima interpretazione simultanea dei dati di produzione $tttt$e$ttt$ all'interno di un singolo framework di analisi per tre distinti scenari BSM:

1. Interpretazione SMEFT: Sono derivati vincoli su sei coefficienti di Wilson di dimensione-6 ($c_{tt}$, $c^{(1)}_{QQ}$, $c^{(1)}_{Qt}$, $c^{(8)}_{Qt}$, $c^{\text{Re}}_{tH}$ e $c^{\text{Im}}_{tH}$) che modificano le interazioni tra quattro quark pesanti e top-Higgs. Questa è la prima analisi ottimizzata per la produzione $tttt$ a considerare questi sei operatori simultaneamente.
2. Ricerca di Risonanze Pesanti: Limiti di esclusione sono impostati su sei modelli semplificati di strette risonanze toppiliche pesanti (bosoni scalari, pseudoscalari e vettoriali in stati color-singlet e color-octet) con masse comprese tra 400 GeV e 1,6 TeV.
3. Estrazione dell'Accoppiamento Yukawa: Viene estratto l'accoppiamento Yukawa del quark top, parametrizzando sia i contributi CP-even ($\kappa_t$) che CP-odd ($\tilde{\kappa}_t$), utilizzando una parametrizzazione che include termini quartici per catturare effetti oltre l'approssimazione lineare SMEFT.

Risultati

• Sezione d'urto SM: La sezione d'urto misurata per la produzione $tttt$è$\sigma(tttt) = 18.9^{+4.4}_{-4.0}$ fb, che è coerente con la previsione SM di $13.4^{+1.0}_{-1.8}$ fb entro circa 1,3 deviazioni standard. Si osserva una forte anticorrelazione ($\rho = -0.98$) tra le sezioni d'urto di $tttt$e$ttt$, confermando che l'analisi sperimentale non può distinguere tra i due processi nelle regioni più sensibili.
• Vincoli SMEFT: I dati sono statisticamente compatibili con l'aspettativa SM (coefficienti di Wilson nulli). L'analisi fornisce i primi vincoli sulla parte immaginaria del coefficiente di Wilson top-Higgs ($c^{\text{Im}}_{tH}$) da un'analisi di produzione $tttt$. Gli intervalli di esclusione osservati per gli operatori a quattro quark pesanti sono del 12–25% più stretti rispetto alle precedenti misure EFT multilepton di CMS e del 64–89% più stretti delle misurazioni della sezione d'urto $tttt$ di ATLAS.
• Esclusione di Risonanze: Non si osserva alcun eccesso significativo. Limiti di esclusione sono impostati sulla forza di accoppiamento delle risonanze toppiliche in funzione della massa. Per i modelli color-octet, gli scenari fisici sono esclusi per masse inferiori a 1,4–1,6 TeV. Per i modelli color-singlet, i limiti sono generalmente più deboli, con esclusioni fisiche solo per masse inferiori a 600–800 GeV.
• Accoppiamento Yukawa: Il modificatore dell'accoppiamento Yukawa del quark top è coerente con l'aspettativa SM ($\kappa_t = 1, \tilde{\kappa}_t = 0$) a un livello di una deviazione standard. L'intervallo osservato al livello di confidenza del 95% per $|\kappa_t|$ (con $\tilde{\kappa}_t=0$ fissato) è $0.7 < |\kappa_t| < 1.4$, che è significativamente più stretto dei precedenti vincoli derivati esclusivamente dalla produzione $tttt$.

Significatività
Il documento rivendica la significatività principalmente attraverso il trattamento simultaneo della produzione $tttt$e$ttt$ come processi di segnale, riconoscendo la loro indistinguibilità nelle attuali firme sperimentali e i loro simili pattern di modifica sotto gli scenari BSM. Utilizzando osservabili ottimizzati ($H_T$ per la sensibilità ad alta energia e score BDT per la purezza) e un framework di fit unificato, l'analisi ottiene vincoli migliorati sugli operatori SMEFT rispetto alle precedenti misurazioni individuali. Il lavoro fornisce i primi vincoli simultanei su sei specifici coefficienti di Wilson in un'analisi ottimizzata per $tttt$ e offre i limiti più stringenti ad oggi sull'accoppiamento Yukawa del quark top derivati dalla produzione multi-top, stabilendo al contempo limiti di esclusione su una vasta gamma di modelli di risonanze pesanti toppiliche. I risultati sono statisticamente compatibili con il Modello Standard, rafforzando l'attuale comprensione della fisica del quark top pur definendo confini precisi per la potenziale nuova fisica.