Search for ttbar resonances in final states with exactly one or two leptons using 140 fb$^{-1}$ of pp collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS experiment

技術要約：1または2個のレプトンを含む最終状態における$t\bar{t}$共鳴の探索

問題と動機
本論文は、電弱スケールとプランクスケールの間の階層性といった未解決の問いに対処することを目的とした、様々な標準模型（SM）の拡張によって予測される、重い共鳴がトップ・アンチトップ（$t\bar{t}$）クォーク対へと崩壊する過程の探索を提示する。この解析は、スピン1およびスピン2の共鳴、具体的には$Z'$ボソン（スピン1、カラー単一項）、カルツァ＝クラーニ（KK）グラビトン（スピン2、カラー単一項）、およびKKグルオン（スピン1、カラー八重項）を対象としている。ATLASおよびCMSによるこれまでの探索では、全ハドロン状態および単一レプトン状態がカバーされており、またCMSはジレプトン状態も含めているが、本研究はこれらの特定の共鳴に対するジレプトン・チャネルを用いた初のATLASによる探索である。さらに、本研究は全Run 2データセット（140 fb$^{-1}$）を利用しており、高度な再構成技術と検証領域の導入を通じて、従来の36 fb$^{-1}$の解析を改善している。

手法
解析には、ATLAS検出器によって収集された$\sqrt{s} = 13$ TeVでの陽子・陽子衝突データを使用する。探索は以下の2つの最終状態に焦点を当てている：

1. 1レプトン・チャネル： 一方のトップクォークが半レプトン的に崩壊し（$t \to bW \to b\ell\nu$）、もう一方がハドロン的に崩壊する（$t \to bW \to bqq'$）。
2. 2レプトン・チャネル： 両方のトップクォークがレプトン的に崩壊する（$t \to bW \to b\ell\nu$）。

イベント選択では、正確に1つまたは2つのプロンプト電子またはミューオン、大きな欠損横運動量（$E_T^{miss}$）、および少なくとも2つのジェット（少なくとも1つは$b$ジェットとして識別される）を要求する。

• イベント分類：

  • 1レプトン・チャネルでは、ハドロン崩壊するトップクォークのローレンツ・ブーストに基づき、イベントを「マージド（merged）」および「リゾルブド（resolved）」トポロジーに分割する。高質量（$m_{t\bar{t}} > 2$ TeV）の場合、崩壊生成物は単一の大きな半径を持つジェットへと合体するため、ディープニューラルネットワーク（DNN）を用いたトップ・タガーによって識別される。リゾルブド・トポロジーでは、少なくとも4つの小さな半径のジェットが必要となる。これらのカテゴリは、さらに$b$タグの数（1bまたは2b）および角度変数（$\Delta\eta$）に基づいて細分化され、直交する信号領域と検証領域を定義する。
  • 2レプトン・チャネルでは、スピン1共鳴への感度を最適化するために、2つのレプトンの間の方位角差（$\Delta\phi_{\ell\ell}$）に基づき、イベントを5つの領域に分類する。検証領域は、擬ラピディティ差（$\Delta\eta_{\ell\ell}$）を用いて定義される。

• 背景事象（バックグラウンド）の推定：

  • 主要な背景事象であるSM $t\bar{t}$生成は、NLO精度で補正されたNNLO QCD + NLO EW 微分予測を持つ、Powheg Box v2 + Pythia 8によるモンテカルロ（MC）シミュレーションを用いてモデル化される。
  • $W/Z$+jetsおよびシングルトップの背景事象は、MC（Sherpa, Powheg）を用いてモデル化され、データ駆動型のスケールファクター（例：$W$+jetsの電荷非対称性）を用いて補正される。
  • 「フェイク（fakes）」背景事象（非プロンプトのレプトンまたはレプトンと誤認されたジェット）は、1レプトン・チャネルにおいて、データ駆動型のマトリックス法を用いて推定される。
  • 2レプトン・チャネルでは、$Z$+jetsの形状は、$Z$に富む制御領域から導出された再重み付け手順を用いて補正される。

• 統計解析：
  再構成された$t\bar{t}$不変質量（1レプトン・チャネルでは$m_{t\bar{t}}$、2レプトン・チャネルでは2つのレプトンと2つの$b$ジェットの不変質量$m_{\ell\ell bb}$）を用い、すべての信号領域（1レプトンで3、2レプトンで5）に対して同時にビン付きプロファイル尤度フィットを行う。系統誤差（実験的および理論的）は、妨げとなるパラメータ（nuisance parameters）として扱われる。

主な貢献

• 初のATLASジレプトン探索： 本研究は、全ハドロンおよび単一レプトン探索を補完するものとして、ATLASによる$t\bar{t}$共鳴探索にジレプトン・チャネルが含まれた初めての事例である。
• 全Run 2データセット： 本解析は、2015年から2018年までの完全な140 fb$^{-1}$のデータセットを利用しており、従来の36 fb$^{-1}$の解析と比較して統計的パワーを大幅に向上させている。
• 高度な再構成： マージド・トポロジーに対するDNNベースのトップ・タガーの使用、およびリゾルブド・トポロジーにおける改良された$t\bar{t}$再構成により、質量範囲全体にわたる感度が向上している。
• 包括的な背景事象の検証： 専用の検証領域の導入により、最終的なフィットの前にSM $t\bar{t}$背景事象のモデリングを強固に検証することが可能となっている。

結果

• 観測： 調査された全不変質量スペクトル（0.4 TeVから5.0 TeV）において、標準模型の予測からの有意な偏差は観測されなかった。データは背景事象のみの仮説と一致しており、適合度（goodness-of-fit）の確率は95%であった。
• 排除限界： ベンチマークモデルに対する生成断面積×分岐比（$\sigma \times \mathcal{B}$）の上限値が95%信頼区間（CL）で設定された：
  • $Z'_{TC2}$ (スピン1、狭い幅): 質量最大4.2 TeV（幅3%）および3.65 TeV（幅1.2%）までを排除。$m_{t\bar{t}} < 1.5$ TeVにおいて、これらは現時点で最も厳しい制限である。
  • $G_{KK}$ (スピン2、狭い幅): 質量最大1.3 TeVまでを排除。これは$t\bar{t}$崩壊チャネルにおいて現時点で最強の制限であるが、ダイボソン探索の方がより強い質量排除を提供している。
  • $g_{KK}$ (スピン1、広い幅、$\Gamma/m = 30\%$): 質量最大4.1 TeVまでを排除し、このベンチマークモデルに対して現時点で最も強力な制限を設定した。

意義
本論文は、トップクォーク対へと崩壊する重い共鳴を予測する幅広いモデルに対し、既存の排除限界を強化すると主張している。$Z'_{TC2}$の質量が4 TeVを超える場合、全ハドロンATLAS探索の方が感度が高いままであるが、現在の解析は代替の崩壊チャネルにおいて相補的な感度を提供し、$g_{KK}$および$G_{KK}$信号に対する$t\bar{t}$チャネルにおける現時点で最も厳格な制約を確立している。ジレプトン・チャネルの導入と全Run 2データセットの利用は、トップクォーク部門における新物理の包括的な探索における重要なステップを記している。