Search for $t$-channel scalar and vector leptoquark exchange in the high-mass dimuon and dielectron spectra in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

技術要約：高質量ダイミューオンおよびダイエレクトロン・スペクトルにおけるtチャネルのスカラーおよびベクトル・レプトクォーク交換の探索

問題と動機
本論文は、クォークとレプトンを結合させる仮説的なカラー三重項ボソンであるレプトクォーク（LQ）の$t$チャネル交換の探索を提示する。従来の探索は、LQの共鳴的な対生成や単一生成に焦点を当ててきたが、これらのチャネルは、高いLQ質量（$m_{LQ}$）や高い結合強度の領域において感度が限定される。$t$チャネル交換プロセスは、標準模型（SM）のディレプトン・ドレル・ヤン（DY）生成と干渉するため、生成チャネルと比較して、$m_{LQ}$の増加に伴う断面積の減少が緩やかであり、これらの領域において優れた感度を提供する。

本解析は、アップ/ダウンクォークおよび電子/ミューオンに結合する第1世代および第2世代のLQを対象としている。具体的には、現象論的研究によって動機付けられた3つのLQファミリー、すなわちスカラー二重項である$R_2$および$eR_2$、ならびにベクトル三重項である$U_3$を調査する。これらのモデルは、ミューオン異常磁気モーメント（$g-2$）やレプトン・フレーバー普遍性の破れ、およびレプトン・フレーバー破れの潜在的な解決策に関連している。本研究の目的は、これまでの共鳴生成探索ではほとんど未開拓であった1から5 TeVの範囲の質量に対して、LQ-フェルミオン結合強度（スカラーの場合は$y_{LQ}$、ベクトルの場合は$g_{LQ}$）の制限を課すことである。

手法
本解析は、CMS検出器によって収集された、積分ルミノシティ138 fb$^{-1}$に相当する$\sqrt{s} = 13$ TeVでの陽子・陽子衝突データを利用している。探索は、高質量ディレプトン事象（$m_{\ell\ell} > 500$ GeV）におけるダイミューオン（$\mu\mu$）およびダイエレクトロン（$ee$）チャネルに焦点を当てている。

• 信号モデリング： 信号は、ディレプトンの角度および不変質量分布の非共鳴的な修正としてモデル化される。微分断面積には、SMのDY寄与、純粋な$t$チャネルLQ交換、およびLQとSMの振幅間の干渉が含まれる。
• テンプレート構築： すべての信号仮説に対して専用のモンテカルロ（MC）サンプルを生成する代わりに、著者らは再重み付け（reweighting）技術を採用している。シミュレートされたSM DY事象を、ジェネレーターレベルの変数（$m_{\ell\ell}$、$y$、および$\cos\theta^*$）の解析関数を用いて再重み付けし、純粋なLQ交換および干渉項の特定の運動学的形状を表現する。これにより、信号成分および背景成分のためのパラメータに依存しないテンプレートの構築が可能となる。
• 変数： フィットには、ディレプトン不変質量（$m_{\ell\ell}$）、ラピディティ（$y$）、およびコリンズ・ソパー・フレームにおける入射クォークと放出レプトン間の角度の余弦（$\cos\theta^*$）の3つの変数を用いる。陽子・陽子衝突における入射クォークの方向は未知であるため、近似としての$\cos\theta_R$が使用される。
• 背景事象の推定： 主要な背景事象はSMのDY生成である。副次的な背景事象には、$t\bar{t}$、$tW$、ダイボゾン（$WW, WZ, ZZ$）、および光子誘起ディレプトン生成が含まれる。ジェットからの「誤識別（MisID）」されたレプトンは、制御領域におけるデータ駆動型の「誤識別率」法を用いて推定される。背景事象の正規化および形状は、制御領域（例：$e\mu$事象）を用いて検証される。
• 統計解析： $m_{\ell\ell}$、$|y|$、および$\cos\theta_R$の分布に対して、ビン化された最大尤度フィットが行われる。このフィットにより、SMの角分布の係数（$A_0, A_4$）およびLQ結合パラメータ（$y_{LQ}^2$または$g_{LQ}^2$）が抽出される。PDF、レプトン識別、ルミノシティ、および再重み付けの手順による系統誤差は、摂動パラメータ（nuisance parameters）を介して組み込まれる。

主要な貢献

• 初の試み： これは、CMS検出器を用いた、第1世代および第2世代のフェルミオンに結合する$t$チャネルLQ交換に関する初の探索である。
• 拡張された質量範囲： 本解析は最大5 TeVまでのLQ質量を調査しており、これは従来の対生成および単一生成探索（通常、約1.8 TeVまでの質量を排除）による限界を大幅に拡張している。
• 包括的な結合制限： 本研究は、8つの異なる結合シナリオ（スカラー/ベクター、アップ/ダウンクォーク、および電子/ミューオン・レプトンの組み合わせ）に対して95%信頼区間（CL）の制限を課している。
• 手法の洗練： 本論文は、クォーク方向の割り当てミスによる「希釈」効果を考慮し、広範な専用信号MC生成を回避する、堅牢なテンプレート再重み付け手法の詳細を述べている。

結果
高質量ディレプトンスペクトルにおいて、標準模型の背景期待値からの有意な偏差は見られなかった。観測された$m_{\ell\ell}$、$|y|$、および$\cos\theta_R$の分布は、SMの予測と一致している。

• スカラーLQ： 1から5 TeVの質量のスカラーLQ（$R_2, eR_2$）について、結合値$|y_{LQ}|$は、ミューオン結合では0.4–1.3、電子結合では0.3–1.0の範囲で95% CLで排除される。
• ベクトルLQ： ベクトルLQ（$U_3$）について、結合値$|g_{LQ}|$は、ミューオン結合では0.3–1.4、電子結合では0.1–0.5の範囲で95% CLで排除される。
• 従来制限との比較： これらの結果は、特定の結合に対して質量を1.73 TeVまで排除した従来の単一生成探索、および結合に依存せず質量を1.53 TeVまで排除した対生成探索からの排除限界を大幅に拡張している。ベクトルLQの制限は、生成断面積が大きいため、一般にスカラーの制限よりも強い。
• 非対称性： 本解析では、特定のベクトルLQモデル（例：$V_{ed}, V_{\mu d}$）において、SMとの干渉が破壊的であり、非対称な尤度関数と、他のシナリオと比較して弱い期待限界をもたらすことが指摘されている。

意義および主張
本論文は、これまで共鳴生成探索では到達不可能であった質量領域（1–5 TeV）における、第1世代および第2世代のレプトクォークに対する厳格な制限を確立したと主張している。$t$チャネル交換メカニズムを利用することで、本解析は、結合が摂動論的領域内にある場合、対生成や単一生成によって調査された質量よりも大幅に高い質量を持つLQに対する感度を示す。これらの結果は、結合が摂動論的範囲内にある限り、5 TeVまでのパラメータ空間を排除することによって、レプトクォークを含むBSMシナリオ（$g-2$やレプトン・フレーバー普遍性の異常を説明するために提案されているものなど）を検証する上で極めて重要である。