Searches for VLQs and LQs from the ATLAS Experiment

技術要約：ATLAS実験によるVLQおよびLQの探索

問題と動機
素粒子物理学における標準模型（SM）は成功を収めているものの、依然として不完全である。Composite HiggsモデルやLittle Higgsモデルなどの標準模型の拡張理論は、階層性問題やフレーバー部門のアノマリーといった問題を解決するために、新しい物質的な粒子の存在を提唱している。具体的には、ベクトル様クォーク（VLQ）、ベクトル様レプトン（VLL）、およびレプトクォーク（LQ）が、左手型および右手型の成分が同じ量子数を共有するという点で標準模型のフェルミオンとは異なる、仮説上の粒子として挙げられる。カイラルな標準模型のフェルミオンとは異なり、VLQはヒッグス機構による質量生成を必要としない。軽いニュートリノの制約や電弱精密測定により、第4世代のカイラルなフェルミオンは排除されているが、これらのベクトル様およびレプトクォークの拡張モデルは依然として生存可能であり、排除されていない。本論文では、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS検出器を用いた、これらの粒子に関する新しい探索結果を提示する。

手法
本解析では、中心質量エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeVにおけるRun 2の全データセットを利用し、一つの探索には55 fb$^{-1}$のRun 3データが含まれている。すべての限界値は95%信頼水準で設定されている。手法は、モデル依存であり電弱プロセスを通じて進行する単一生成チャネル、および適用可能な場合には対生成に焦点を当てている。

• ベクトル様クォーク (VLQs): 探索対象は、標準模型のボソン（$W, Z, H$）および第3世代クォーク（$t, b$）へと崩壊するVLQである。

  • 単一レプトン・チャネル: 単一生成された $T$ または $Y$ クォークが $Wb$へと崩壊する探索では、単一レプトン（$e/\mu$）のトリガーを利用し、欠損横エネルギー（$E_T^{miss}$）、1つの硬い$b$ ジェット、および前方のジェットを要求する。VLQの質量は、レプトン、$E_T^{miss}$、および $b$ ジェットから再構成される。
  • 全ハドロン・チャネル: $T/Y \to Wb$ の全ハドロン終状態における補完的な探索では、大きな $R$ を持つジェット・トリガーを用いて $W$ タグ付きジェットを識別し、追加の小さな $R$ の $b$ ジェットを用いる。
  • モノトップ・チャネル: $Zt$（ここで$Z \to \nu\nu$）へと崩壊する単一生成された$T$の探索では、ブーストされたトップクォークと有意な$E_T^{miss}$ を探す。信号と背景事象を識別するために XGBoost 分類器が使用される。
  • 結合: $T \to tH, tZ$ およびモノトップ・チャネルへの単一 $T$ 探索の結果を組み合わせることで、相対的な結合（$\xi_W$）の関数として崩壊幅（$\Gamma$）および分岐比を制約する。

• レプトクォーク (LQs) および VLLs:

  • 単一共鳴的 LQ 生成: スカラーLQが荷電レプトンとダウン型クォークに結合する探索では、Run 2の全データセットに部分的なRun 3データを加えて利用する。
  • VLL 崩壊: 「4321」モデル拡張に基づき、ベクトル型LQ（$U_1$）へと崩壊し、その後第3世代のレプトン/クォークへと崩壊するVLLの探索を行う。

主要な貢献および結果

1. 単一生成された VLQs ($T/Y \to Wb$):

   • レプトン・チャネル: シングレット $T$（$1150 < m_T < 2300$ GeV において $0.22 < \kappa < 0.52$）およびトリプレット $Y$（$1150 < m_Y < 2600$ GeV において $0.14 < \kappa < 0.46$）に対する結合定数 $\kappa$ の限界値が設定された。標準模型の背景事象との干渉は無視できることが判明した。
   • 全ハドロン・チャネル: $Y$ に対しては 2.0 TeV（$\kappa=0.5$ のとき）および 2.4 TeV（$\kappa=0.7$ のとき）、$T$ に対しては 1.4 TeV（$\kappa=0.5$ のとき）および 1.9 TeV（$\kappa=0.7$ のとき）のより低い質量限界が確立された。この解析は、$(B, Y)$ 二重項における $Y$ の質量限界を、従来のATLASの結果よりも改善している。

2. モノトップ探索 ($T \to Zt$):

   • 結合 $\kappa_T = 0.5$ および分岐比 $BR(T \to Zt) = 25\%$ を持つ SU(2) シングレット $T$ について、1.8 TeV の下限質量限界が確立された。

3. 結合単一 $T$ 探索:

   • $T \to tH, T \to tZ$ およびモノトップ・チャネルの探索の組み合わせにより、相対的な結合 $\xi_W$ によってパラメータ化された観測下限質量限界が提供される。これにより、異なる SU(2) 表現（シングレット vs 二重項）にわたる制約が可能となる。

4. レプトクォーク (単一共鳴的生成):

   • スカラーLQの質量下限値は、ユカワ結合 $y$ に基づいて決定された。限界値には、$y_{de}=1.0$ で 3.4 TeV、$y_{s\mu}=3.5$ で 4.3 TeV、$y_{be}=3.5$ で 3.1 TeV、および $y_{b\mu}=3.5$ で 2.8 TeV が含まれる。これらの結果は、従来のLQの質量限界を拡張するものである。

5. ベクトル様レプトン (VLLs):

   • 「4321」モデルの文脈において、モデルが予測する断面積に対し、200 GeV から 910 GeV の間のVLL質量が排除された。

意義
本論文は、これらの結果が単一生成されたVLQおよびLQの質量被覆範囲および結合制約を強化し、拡張していると主張している。単一生成チャネルに焦点を当てることで、これらの解析は従来の対生成探索を補完し、質量および結合パラメータ空間の両方において排除限界を拡大させている。これらの研究は、これらの仮説上の粒子の非観測を通じて、階層性問題やフレーバー・アノマリーに対処する、標準模型を超えたシナリオにおける重い粒子の潜在的な性質の理解を深めるものである。単一 $T$ 生成に対する複数の探索チャネルの組み合わせは、VLQの崩壊幅および分岐比の制約をさらに精緻化している。