Search for pair-production of vector-like $T$ quarks decaying into a top quark and a spin-0 particle in the diphoton final state in proton proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Sintesi Tecnica: Ricerca della produzione di coppie di quark vettoriali-tipo $T$ che decadono in un quark top e una particella spin-0 nello stato finale difotone

Problema e Motivazione
In seguito alla scoperta del bosone di Higgs nel 2012, la fisica delle alte energie si è concentrata sulla determinazione se l'Higgs sia fondamentale o composito e sulla risoluzione del problema della gerarchia. Teorie come la compositietà parziale propongono l'esistenza di Quark Vettoriali-tipo (VLQ), specificamente partner del top ($T$), che si mescolano con i fermioni del Modello Standard (SM). Sebbene le ricerche precedenti abbiano ampiamente ipotizzato che i VLQ decadano in particelle SM (ad esempio, $T \to tH, tZ, tW, bW$), i modelli che coinvolgono la compositietà spesso predicono ulteriori scalari o pseudoscalari esotici ($S$). In tali scenari, un partner del top potrebbe decadere tramite $T \to St$, dove $S$ è una nuova particella spin-0. Se $S$ decade in particelle SM, questi decadimenti a cascata rappresentano una topologia di ricerca non precedentemente esplorata dalle collaborazioni ATLAS o CMS. Questa analisi mira al processo specifico di produzione di coppie di VLQ ($pp \to T\bar{T}$) dove un $T$ decade tramite $T \to St \to t\gamma\gamma$ e l'altro tramite $T \to St \to tX$, con $X$ che rappresenta qualsiasi stato finale consentito ($\gamma\gamma, Z\gamma, WW, ZZ, t\bar{t}$).

Metodologia
L'analisi utilizza l'intero dataset Run 2 raccolto dal rivelatore ATLAS a $\sqrt{s}=13$ TeV, corrispondente a una luminosità integrata di 140 fb$^{-1}$.

• Selezione degli Eventi: Gli eventi sono selezionati richiedendo almeno due fotoni isolati con energia trasversa $E_T > 38$ GeV e pseudorapidità $|\eta| < 2.47$ (escludendo la regione di transizione barrel-endcap). È richiesto almeno un jet con tag $b$. La massa invariante del sistema diphotonico ($m_{\gamma\gamma}$) deve essere superiore a 150 GeV per evitare la regione di massa del bosone di Higgs.
• Discriminante Cinematico: Il principale discriminante contro il fondo SM è la somma scalare delle quantità di moto trasverse di tutti gli oggetti visibili (jet, leptoni, fotoni) più la quantità di moto trasversa mancante ($E_T^{\text{miss}}$), denotata come $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Questa variabile è stata scelta perché i prodotti di decadimento di risonanze pesanti sono attesi avere grandi quantità di moto trasverse, mentre i processi SM popolano la parte inferiore di questo spettro.
• Modellazione del Segnale e del Fondo:
  • Segnale: Simulato utilizzando MadGraph5_aMC@NLO con Pythia 8 per lo shower partitico. I campioni di segnale coprono masse di $T$ ($m_T$) da 1000 a 1800 GeV e masse di $S$ ($m_S$) da 200 a 1200 GeV. L'analisi assume un rapporto di ramificazione (branching ratio) del 100% per $T \to St$.
  • Fondo: Il fondo continuo diphotonico è stimato tramite un approccio basato sui dati. Le Regioni di Controllo (CR) sono definite in intervalli di $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ inferiori per fornire template di fondo. La forma del fondo nelle Regioni di Segnale (SR) è parametrizzata da una funzione esponenziale, $f(m_{\gamma\gamma}) = N e^{-m_{\gamma\gamma}/\tau}$, con parametri adattati ai dati.
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di verosimiglianza (likelihood fit) simultaneo non binato attraverso quattro Regioni di Segnale definite da soglie crescenti di $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Le incertezze sistematiche, incluse quelle derivanti dalla modellazione del fondo (segnale spurio), dalla scala/risoluzione dell'energia dei fotoni e dalla luminosità, sono incorporate tramite parametri di disturbo (nuisance parameters).

Contributi Chiave

• Nuova Topologia di Ricerca: Questa è la prima ricerca ATLAS per la produzione di coppie di VLQ che decadono attraverso una particella spin-0 esotica in uno stato finale diphotonico. Essa affronta una lacuna nelle ricerche precedenti sui VLQ, che tipicamente assumevano decadimenti diretti in bosoni SM.
• Risultati Indipendenti dal Modello: Sebbene la ricerca sia motivata da specifici modelli di compositietà, i risultati sono presentati in un volume fiduciale definito dai requisiti cinematici sui fotoni. Ciò consente ai limiti di essere reinterpretati in una vasta gamma di modelli fenomenologici oltre lo specifico scenario $T \to St$.
• Spazio dei Parametri Esaustivo: L'analisi copre un ampio intervallo di masse ($m_T \in [1000, 1800]$ GeV, $m_S \in [200, 1200]$ GeV), escludendo solo le regioni cinematicamente soppresse dove $m_S > m_T - m_t$.

Risultati

• Osservazione: Non si osserva alcun eccesso significativo rispetto al fondo previsto del Modello Standard in nessuna delle Regioni di Segnale. I dati sono coerenti con l'ipotesi del solo fondo, con deviazioni che rimangono entro le $2\sigma$.
• Limiti di Esclusione: Si stabiliscono limiti superiori al 95% di livello di confidenza (CL) sulla sezione d'urto di produzione fiduciale moltiplicata per il branching ratio, $\sigma_{\text{fid}}(pp \to T\bar{T}) \times \mathcal{B}(S \to \gamma\gamma) \times \mathcal{B}(S \to X)$, in funzione di $m_T$ e $m_S$.
• Interpretazione del Modello: I risultati sono interpretati all'interno del quadro di un modello specifico di compositietà parziale (Rif. [61]). In questo modello, assumendo masse degenerate per i VLQ e per le particelle spin-0, l'analisi esclude masse di $T$ inferiori a $m_T = 1620$ GeV per lo scenario in cui le particelle spin-0 decadono in stati finali non fotonici (il caso $2\gamma$, corrispondente a un $S \to \gamma\gamma$ e l'altro in modi non fotonici). I limiti di esclusione sono più deboli per gli scenari che coinvolgono più fotoni (ad esempio, stati finali $3\gamma$ o $4\gamma$) a causa dei minori branching ratio o dell'accettanza.

Significatività
Il documento rivendica la significatività principalmente come una ricerca pionieristica in un canale di decadimento inesplorato per i Quark Vettoriali-tipo. Mirando alla cascata $T \to St$ con $S \to \gamma\gamma$, l'analisi estende la sensibilità delle ricerche sui VLQ a scenari che coinvolgono scalari esotici, che sono predetti dai modelli di Higgs composito ma precedentemente non vincolati da ATLAS. La mancanza di un segnale osservato permette alla collaborazione di stabilire i primi vincoli su questa specifica topologia, restringendo così lo spazio dei parametri ammissibile per i modelli che predicono partner del top che decadono tramite nuovi mediatori spin-0. I risultati sono presentati con un alto grado di indipendenza dal modello nel volume fiduciale, garantendo la loro utilità per future reinterpretazioni.