Search for single production of a vector-like T quark decaying to a top quark and a neutral scalar boson in the lepton+jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

技術要約：トップクォークと中性スカラー粒子への崩壊を伴うベクトル様Tクォークの単一生成に関する探索

問題と動機
本論文は、電荷 $2e/3$ を持つベクトル様クォーク（VLQ）である $T$ の、トップクォーク ($t$) と中性スカラー粒子 ($\phi$) への崩壊を伴う単一生成の探索を提示する。スカラー粒子は、標準模型（SM）のヒッグス粒子 ($H$) または新しい標準模型超越（BSM）スカラー粒子 ($\phi$) のいずれかであると想定されている。精密測定により第4世代のカイラルクォークの存在は制約されているが、ベクトル様クォークは階層性問題を解決する様々な標準模型拡張において、依然として有力な予測である。カイラルクォークとは異なり、VLQはユカワ結合とは独立して質量を得る。これまでの探索は、主にペア生成、または $Wb$、$Zt$、$tH$（$H \to \gamma\gamma$または全ハドロン崩壊）の崩壊チャネルにおける単一生成に焦点を当ててきた。本解析は、これまで探索されていなかった、新しい中性スカラー粒子への単一$T$生成の特定の崩壊トポロジーである$T \to t\phi$（ここで$\phi \to b\bar{b}$）を対象としている。

手法
本解析では、CMS実験において2016年から2018年にかけて収集された、重心エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突データ（積分ルミノシティ 138 fb$^{-1}$ に相当）を利用する。

• 信号トポロジー: 信号は、ボトムクォークと共に生成される単一の $T$ クォーク（$bTq$生成）によって特徴付けられる。$T$は$t\phi$に崩壊し、トップクォークはレプトニックに崩壊し（$t \to Wb \to \ell\nu b$）、スカラー粒子はボトム・反ボトム対に崩壊する（$\phi \to b\bar{b}$）。最終状態は、1つの孤立したレプトン ($e$または$\mu$)、欠損横運動量 ($p_T^{miss}$)、および複数のジェット（前方のライトフレーバー・ジェットと、ブーストされた$b\bar{b}$ 系を含む）で構成される。
• イベント再構成:
  • スカラー粒子 ($\phi$): $p_T > 500$ GeV のラージ半径ジェット（AK8, $R=0.8$）として再構成される。$X \to b\bar{b}$ 崩壊に由来するジェットをタグするために、質量デコレーション（MD）深層ニューラルネットワークである PARTICLENET-MD（$Xbb$ タガー）が用いられる。
  • トップクォーク: レプトン、AK4 ジェット、および $p_T^{miss}$ から再構成される。真のトップクォーク候補 ($t_{true}$) と組合せ背景事象 ($t_{QCD}$ および $t_{oth}$) を区別するために、マルチクラス・ブーステッド決定木（BDT）を用いた機械学習アプローチが開発された。マージされた構成、解像された構成、レプトン・フレーバー、および $p_T$ 範囲に対して個別の BDT が訓練されている。
• イベント分類: 選択されたイベントは、トップクォークおよび $Xbb$ タギングの品質に基づき、互いに排他的な領域に分類される：
  • 信号領域 (SRs): タイトなトップタギング (TopT) とタイトな $Xbb$ タギング (XbbT)、またはルーズなトップタギング (TopL) とタイトな $Xbb$ タギングを持つイベント。
  • 検証領域 (VRs): データと背景事象の一致を確認するために使用される（例：TopT/XbbL, TopL/XbbL）。
  • 制御領域 (CRs): タギング効率とミス・タグ率を較正するために使用される（例：TopT/XbbV, LepT/XbbT）。
• 統計解析: 再構成された $T$ クォーク候補の不変質量分布 ($M_{\ell\nu bJ}$) に関して、SR および VR 全体で同時最大尤度フィットが行われる。系統的な不確かさ（理論的および実験的）は、妨げとなるパラメータ（Nuisance parameter）として扱われる。上限値を設定するために $CL_s$ 法が使用される。

主な貢献

• 新規な崩壊チャネル: 本研究は、トップクォークと新しい中性スカラー粒子への崩壊を伴う単一 $T$ クォーク生成に対する初の除外限界を提供する。
• 最適化された再構成: 本解析は、ブーストされたトポロジーに最適化された、特殊な機械学習ベースのトップクォーク・タギング・アルゴリズム（BDT）を導入しており、カットに基づく手法と比較して識別効率を大幅に向上させている（背景誤識別率 6% において約 30% の相対的改善）。
• 包括的な質量スキャン: 本探索は、広範な $T$ クォーク質量（1.3–3.0 TeV）およびスカラー粒子の質量（25–250 GeV）をカバーしている。
• SM ヒッグス解釈: 解析は $T \to tH$ チャネルについても解釈を行い、この特定の崩壊モードに対する更新された制約を提供している。

結果
期待される標準模型の背景事象に対して、有意なイベントの超過は観測されなかった。その結果、生成断面積と分岐比の積 ($\sigma \times \mathcal{B}$) に対する 95% 信頼区間 (CL) 上限値が設定された。

• $T \to t\phi$ チャネル: 新しいスカラー粒子 $\phi$ について、$\sigma \times \mathcal{B}(T \to t\phi \to t b\bar{b})$ に対する観測された限界値は、$T$ の質量が 1.3 から 3.0 TeV の間で、$\phi$ の質量に応じて 14.7 fb から 0.1 fb の間で変化する。具体的には、$m_\phi = 25$ GeV の場合、$m_T \in [1.0, 3.0]$ TeV に対して 2.3 から 0.1 fb より大きい値が除外される。$m_\phi = 250$ GeV の場合、$m_T \in [1.3, 3.0]$ TeV に対して 14.7 から 0.3 fb より大きい値が除外される。
• $T \to tH$ チャネル: 標準模型のヒッグス粒子への崩壊については、$m_T$ が 1.0 から 3.0 TeV の間で、100 から 1.0 fb より大きい値が 95% CL で除外される。

意義
本論文は、トップクォークと新しい中性スカラー粒子への崩壊を伴う単一 $T$ クォーク生成に対する初の除外限界を設定した結果であると主張している。さらに、$T \to tH$ 崩壊チャネルについては、$m_T > 2$ TeV の $T$ クォーク質量に対して、現在までに最も優れた生成断面積の限界値を提供している。本解析の結果は、$m_T \ge 1.3$ TeV における単一 $T$ 生成のすべての従来の CMS 探索を改善している。本解析は、崩壊生成物の大きなローレンツ・ブーストに対して特に感度が高く、高質量 $T$ クォークのシナリオに対して効果的であることを示している。