Search for a new neutral gauge boson produced in association with one or two b jets and decaying into a pair of muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

技術要約：$b$ ジェットを伴い、ディミューオンに崩壊する新しい中性ゲージボソン（$Z'$）の探索

問題と動機
標準模型（SM）は、ニュートリノ質量、物質・反物質の非対称性、ダークマターなど、観測されたいくつかの現象を説明できていない。近年の $B$ メソンの崩壊率におけるアノマリー、具体的には $R(K^*)$ および $R(D^*)$ の比は、$b \to s\ell\ell$ および $b \to c\nu_\ell$ 遷移におけるレプトン普遍性の破れの可能性を示唆している。更新された LHCb の測定値は $b \to s\ell\ell$ 遷移におけるテンションを緩和させているものの、第3世代のフェルミオンに対して非普遍的な結合を持つ新しい中性ゲージボソン（$Z'$）を提案する理論モデルは依然として生存している。特に、家族依存の電荷を持つ自発的に破れた $U(1)_X$ ゲージ群を含むモデルは、ボトムクォークおよびミューオンに対して優先的に結合する $Z'$ ボソンの存在を示唆している。

これまでの LHC における $Z'$ 探索は、主に軽クォーク融合による包括的生成や高質量領域（$>350$ GeV）に焦点を当ててきた。しかし、これらの探索は多くの場合、フレーバー普遍的な結合を仮定しており、これは $B$ 物理のアノマリーに対処するモデルには当てはまらない可能性がある。ボトム・ボトム（$b\bar{b}$）またはボトム・ストレンジ（$b\bar{s}$）クォーク融合を介して生成される $Z'$ ボソンの低質量領域（125–350 GeV）を調査することには、具体的なニーズがある。なぜなら、この生成モードは非普遍的な結合を持つモデルでは増強されるが、包括的な探索では十分に制約されていないためである。

手法
本解析では、LHC Run 2（2016–2018）における $\sqrt{s} = 13$ TeV の CMS 実験器による陽子・陽子衝突データ（積分ルミノシティ $138 \text{ fb}^{-1}$ に相当）を利用する。

• 信号モデル: 探索対象は、狭いスピン1の $Z'$ 共鳴（幅は質量の $<1\%$）であり、ディミューオン対（$\mu^+\mu^-$）に崩壊するものである。$Z'$ は1つまたは2つのジェットを伴って生成され、少なくとも1つのジェットは $b$ タグされている。ベンチマークモデルは、レプトンセクターにおけるミューオンおよびミューオンニュートリノへの排他的な結合、およびクォークセクターにおけるボトムクォーク（および、フレーバー変化中性流 $\delta_{bs}$ を介した潜在的なストレンジクォーク）への結合を仮定している。
• イベント選択: イベントは、反対符号・同一フレーバーのミューオンがちょうど2つあり、$p_T > 53$ GeV かつ $|\eta| < 2.4$ であることを要求することで選択される。解析は、ジェット多重度（1-jet または 2-jet）および $b$ タグの状態に基づいてイベントを分類する。信号領域（SR）は、少なくとも1つの $b$ タグされたジェットを要求する。制御領域（CR）は、背景事象を推定するために、ダイレクトロン対または軽クォーク／グルーオンジェットを用いて定義される。
• 背景事象の推定: ドレ・ヤン過程に $b$ ジェットが伴う断面積の測定におけるシミュレーションとデータの間の不一致に基づき、背景事象の推定は、ABCD行列法を用いたデータ駆動型の手法に完全に依存している。
  • この手法は、相関のない2つの変数、すなわちレプトンフレーバー（ミューオン対電子）と $b$ タグ状態（$b$ タグあり対 $b$ タグなし）を利用する。
  • ディミューオン $b$ タグ領域における信号収量は、3つの制御領域（ダイレクトロン $b$ タグあり、ディミューオン $b$ タグなし、ダイレクトロン $b$ タグなし）からの収量を用いて予測される。
  • 電子とミューオンの受容度および分解能の違いを補正するために、転移因子（Transfer factors）が用いられる。
• 系統誤差: 系統誤差には、トリガー効率、レプトン再構成／識別、ジェットエネルギーのスケール／分解能、$b$ タグ効率、パイラップ（pileup）モデリング、およびパートン分布関数（PDF）が含まれる。特定の不確実性として、制御領域におけるフィットの変動に基づく ABCD 法のクローザー（closure）に対して割り当てられている。
• 統計解析: データ収集年およびジェット多重度カテゴリにわたる同時最大尤度フィットが行われる。95% 信頼区間（CL）における漸近近似を用いて、断面積、分岐比、受容度、および効率の積（$\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$）に対する制限が設定される。

主要な貢献

• 低質量領域における初の成果: 本論文は、125–200 GeV の質量範囲における、ボトムクォーク融合による $Z'$ 生成に関する最初の具体的な制限を提示している。
• $b$ 融合に対する厳格な制約: 200–350 GeV の質量範囲において、本結果は、包括的な $Z'$ 探索を補完する形で、ボトムクォーク融合（$b\bar{b}$ および $b\bar{s}$）を伴う $Z'$ 生成モードに対する現在最も強力な制約を提供する。
• モデルに依存しない提示: 結果はモデルに依存しない形式で提供されており、7つの異なる生成カテゴリ（例：$0b(b-s)$, $0b(b-b)$, $1b$, $1s$, $1b+1s$, $2b$, $2s$）に対して、プロセス依存の受容度および効率の値を提供している。これにより、特定のベンチマークを超えた様々な理論モデルへの再解釈が可能となる。
• データ駆動型の背景事象: 本解析は、支配的な背景事象に対する、潜在的に不正確なモンテカルロ・シミュレーションへの依存を避け、堅牢で完全なデータ駆動型の ABCD 推定戦略を採用している。

結果

• 観測: データにおいて、背景事象のみの仮説からの有意な偏差は観測されなかった。信号領域における観測されたデータ分布は、不確かさを考慮した上で、ABCD 背景事象予測と一致している。
• 排除限界: 125 から 350 GeV の間の $Z'$ 質量に対して、95% CL で $\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$ の上限が設定された。排除された断面積の上限は、約 $0.2$から$2$ fb の範囲である。
• 局所的有意性: 質量 230 GeV において、1-jet 信号領域（SR^\mu_\mu_b）で $3.1 \sigma$ の局所的な偏差が観測された。しかし、両方の信号領域にわたるルック・エルスウェア効果（look-elsewhere effect）を考慮すると、大域的な有意性は $0.5 \sigma$ に減少し、背景事象のゆらぎと一致している。
• 受容度と効率: 詳細な表（表5–11）は、各生成カテゴリおよび信号領域に対する受容度と効率の積を提供しており、特定の理論モデルに対するこれらの制限の再解釈を容易にしている。

意義
本論文は、これらの結果が既存の包括的な $Z'$ 探索を補完する重要なものであると主張している。ボトムクォーク融合という特定の生成メカニズムを標的にすることで、本解析は、フレーバー普遍性を仮定するモデルでは制約が少ないパラメータ空間を調査している。これらの結果は、特に $B$ 物理のアノマリーによって動機付けられた、第3世代フェルミオンへの非普遍的な結合を提案する特定の $Z'$ モデルを、125–350 GeV の質量範囲において事実上排除、あるいは制約するものである。モデルに依存しない制限と受容因子の提供は、これらの結果が、標準模型を超えた物理に関する将来の理論的発展をテストする上で価値を持ち続けることを保証している。