Search for a leptoquark in events with a hadronically decaying $\tau$-lepton and missing transverse momentum using $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS検出器によって収集された13 TeVの陽子・陽子衝突データ140 fb$^{-1}$を用い、本研究では、ハドロン崩壊する$\tau$レプトンと欠損横運動量を含む最終状態におけるレプトクォークを探索し、標準模型の予測を超える過剰は見出されなかったことから、$U_1$ベクトルレプトクォークの質量が1.5 TeVから3.0 TeVの範囲における結合定数に対する95%信頼水準の制限を設定した。

要約

全体像：「宇宙の接着剤」を狩る

宇宙は、極小のレゴブロックでできていると想像してみてください。私たちは主に2種類のブロックを持っています。それは、クォーク（陽子や中性子を作るもの）と、レプトン（電子やタウ粒子のようなもの）です。数十年にわたり、素粒子物理学の「標準模型」は、これら2種類のブロックが直接くっつくことは決してなく、メッセンジャー粒子をやり取りすることによってのみ相互作用すると説明してきました。

しかし、最近のいくつかの実験で、奇妙なグリッチ（不具合）が観察されています。特定の重い粒子（B中間子）が崩壊するとき、ルールで定められているよりも頻繁に「タウ」粒子へと変化しているようなのです。これは、本来なら10%の確率でソーダを出すはずの自動販売機が、最近では15%の確率でソーダを出しているような状態です。

物理学者たちは、これら2種類の異なるブロックを繋ぎ止める、新しい目に見えない「接着剤」が存在するのではないかと疑っています。彼らはこの仮説上の接着剤をレプトクォークと呼んでいます。これは、クォークとレプトンを掴んで叩き合わせ、通常は混ざり合うことのない2つの世界を繋ぐ架け橋として機能する粒子です。

実験：高速粒子スマッシュダウン

CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるATLASチームは、この「接着剤」を狩ることに決めました。彼らは陽子（クォークの小さな袋のようなもの）を取り、それを光速に近い速度で衝突させました。

セットアップ：
この衝突を、高速走行中の車の衝突事故と考えてみてください。車（陽子）が衝突すると、それらは百万もの破片となって飛び散ります。ATLAS検出器は、飛び出していくあらゆる破片のスナップショットを撮る、巨大な360度カメラです。

探していた手がかり：
チームは、単なる破片を探していたわけではありません。彼らは非常に稀で、特定のパターンを狙っていました：

1. 他の粒子へと崩壊する（花火が爆発するように）タウ粒子。
2. 大量の欠損エネルギー。ニュートリノ（あらゆるものを通り抜ける幽霊のような粒子）を見ることはできないため、スナップショット内の総エネルギーが計算と合わないことで、その存在を知ることができます。これは、ビリヤードの球がラックに当たった直後、突然テーブルからエネルギーが減ったのを見て、「何かが見えないうちにテーブルの外へ飛び去った」と判断するようなものです。

彼らは、これらの「タウ ＋ 欠損エネルギー」のイベントが、ジェット（クォークから放出される粒子の噴流）と共に発生していないかを調査しました。

戦略：接着剤を捕まえる2つの方法

チームは、失くした鍵を2つの異なる部屋で探すように、2通りの方法でレプトクォークを探しました。

1. 「共鳴」探索（ダイレクト・ヒット）：
   壁に向かってボールを投げる場面を想像してください。もし壁に特定の穴があれば、ボールはそこを通り抜ける前に一瞬だけ引っかかるかもしれません。チームは、直接生成され、その後すぐにタウとクォークへと崩壊するレプトクォークを探しました。これは、データ上に特定の重さ（質量）における明確な「こぶ（バンプ）」として現れます。

2. 「非共鳴」探索（見えない手）：
   2人の人物が互いにボールを投げ合っているが、キャッチするのではなく、ただかすめ合い、ボールは保持されることなくわずかに方向を変える場面を想像してください。これが「tチャネル」交換です。レプトクォークは実在する粒子として生成されるのではなく、一瞬だけ「力」として存在し、粒子を押し広げます。これは、特定の「こぶ」ではなく、高エネルギーの衝突全般における増加として現れます。

結果：幽霊は依然として捉えられず

膨大なデータ（140「逆フェムトバルン」――これは、数兆回の衝突を観察したことを意味する専門的な言い方です）を分析した後、チームは何も発見しませんでした。

• 比喩： 森の中で特定の珍しい鳥を探している場面を想像してください。あなたは高性能カメラを設置し、数ヶ月間その鳴き声に耳を澄ませています。他の何千もの鳥やリス、そして木々を揺らす風は見えます。しかし、その珍しい鳥の鳴き声は一度も聞こえません。
• 結論： 彼らが目にした「タウ ＋ 欠損エネルギー」のイベント数は、標準模型が予測する数値と正確に一致していました。余分なイベントも、こぶも、奇妙な過剰も見られませんでした。

これが「接着剤」にとって何を意味するか

レプトクォークを見つけられなかったとしても、これは非常に重要な結果です。見つけられなかったということは、地図上の広大な領域に「立ち入り禁止」の看板を立てたことを意味します。

• 地図： 彼らは、1.5から3.0 TeV（陽子の1,500倍から3,000倍の重さ）の間の質量を持つレプトクォークをテストしました。
• 限界： もしこの「接着剤」が存在するとしても、この重量範囲においては、彼らが期待したほど強くはないことが判明しました。彼らは、この特定のタイプのレプトクォークを用いて「自動販売機のグリッチ（B中間子の異常）」を説明しようとした多くの理論を、否定しました。

まとめ

ATLASコラボレーションは、陽子を衝突させ、クォークとレプトンを繋ぐ新しい「接着剤」粒子を示すような、特定の稀な破片のパターンを探しましたが、予想通りの背景ノイズ以外は見つけられませんでした。

要点： この特定のシナリオにおいて、宇宙は依然として古いルール通りに振る舞っています。「レプトクォーク」は幽霊のままであり、もし存在するとしても、この特定の実験で見えるほど重すぎるか、あるいは弱すぎるのです。探索は続きますが、この特定のルートは閉ざされました。

技術概要

技術要約：ハドロン崩壊する$\tau$レプトンと欠損横運動量を持つイベントにおけるレプトクォークの探索

問題と動機
$B$中間子の半レプトン崩壊、具体的には$R(D^{(*)}) = \mathcal{B}(B \to D^{(*)}\tau\nu)/\mathcal{B}(B \to D^{(*)}\ell\nu)$の比率が、標準模型（SM）の期待値から約$3.8\sigma$の持続的な偏差を示している。このアノマリーはレプトン普遍性の破れを示唆しており、レプトクォーク（LQ）によって媒介される可能性のある新物理の探索を動機付けている。ATLASおよびCMSによるこれまでの探索は、レプトクォークの対生成、または$\tau\tau$終状態へと崩壊する単一生成レプトクォークに焦点を当ててきたが、これらの解析は多くの場合、信号率が主に$b\tau$結合に依存すると仮定している。本論文は、$c\nu$結合が重要となるシナリオを直接検証するために、$\tau\nu(+b)$終状態を特異的に標的とした初のATLAS探索を提示する。これは、従来の$\tau\tau$探索では十分にカバーされていなかった領域である。

手法
本解析では、Run 2（2015–2018年）の期間中にATLAS検出器によって収集された、積分ルミノシティ140 fb$^{-1}$、中心衝突エネルギー$\sqrt{s} = 13$ TeVの陽子–陽子衝突データを利用する。探索対象は、量子数$(3, 1, 2/3)$を持つベクトルレプトクォーク$U_1$の生成である。2つの異なる生成メカニズムを考慮する：

1. 共鳴単一生成（Resonant single production）: $t$チャネル交換を介して$U_1$が生成され、高$p_T$の$b$または$s$クォークと$\tau$レプトンへと崩壊する。
2. 非共鳴生成（Non-resonant production）: $t$チャネル交換により、関連するジェットを伴う$\tau\nu$系が生成される。

信号は、高横運動量（$p_T > 200$ GeV）を持つハドロン崩壊$\tau$レプトン（$\tau_{\text{had}}$）と、大きな欠損横運動量（$E_T^{\text{miss}}$）によって特徴付けられる。イベントは、$b$ジェットの有無および予想される質量領域に基づいて、4つの信号領域（SR）に分類される：

• 共鳴SR（SR0b-Res, SR1b-Res）: 低質量領域（$\sim 1.5$ TeV）に最適化されており、$E_T^{\text{miss}} > 200$ GeVおよび横質量 $m_T > 200$ GeVを要求する。
• 非共鳴SR（SR0b-NonRes, SR1b-NonRes）: 高質量領域に最適化されており、$E_T^{\text{miss}} > 400$ GeVおよび $m_T > 600$ GeVを要求する。

背景事象は、制御領域（CR）においてデータによって制約されたシミュレーションサンプルを用いて推定される。主要な背景事象である$W \to \tau\nu$ + ジェットは、$\tau_{\text{had}}$の代わりにレプトン（$e$または$\mu$）を用いるCRを用いて正規化される。トップクォークの背景事象は、$\tau_{\text{had}}$と追加のレプトンを伴うCRを用いて制約される。バリデーション領域（VR）は、CRからSRへの背景事象推定の補外をテストするために用いられる。

主な貢献

• 新規チャネル: 本研究は、$U_1$レプトクォークモデルにおける$b\tau$結合と$c\nu$結合の相互作用を直接探るために設計された、初の$\tau\nu(+b)$終状態を標的とするATLAS解析を導入する。
• 結合への感度: 本解析は、パラメータ空間の高$\beta_{23}^L$領域（$\beta_{23}^L$が$c\nu$結合を支配する領域）に対して感度を持つ。これは、結合強度に対して主要な次数で不感である従来の対生成探索では困難であった領域である。
• 包括的な戦略: イベントを$b$ジェットの多重度によって分類し、共鳴および非共鳴トポロジーを区別することで、1.5 TeVから3.0 TeVの間のレプトクォーク質量に対する幅広い結合シナリオ（$g_U$および$\beta_{23}^L$）をカバーする。

結果
すべての信号領域において、標準模型の背景事象予測を上回る有意なイベントの過剰は観測されなかった。観測されたデータは、すべての運動学的分布において、フィット後の背景事象の期待値と良好に一致している。

• 排除限界: $CL_s$法を用いて、95%信頼区間（CL）における信号強度$\mu$の上限値を設定する。
• パラメータ空間: 固定された$\beta_{23}^L$の関数としてのレプトクォーク質量$m_{U_1}$に対する結合$g_U$の限界、および固定された質量に対する$g_U$の関数としての$\beta_{23}^L$の限界を導出する。
  • $m_{U_1} = 1.5$ TeVにおいて、観測された$g_U$の上限値は、$\beta_{23}^L = 1.0$で1.13、$\beta_{23}^L = 2.2$で0.52である。
  • $m_{U_1} = 2.5$ TeVにおいて、観測された$g_U$の上限値は、$\beta_{23}^L = 1.0$で2.30、$\beta_{23}^L = 2.2$で1.22である。
• アノマリーへの制約: 結果は、$B$物理のアノマリーが支持するパラメータ空間の一部、特に高い$\beta_{23}^L$の値において排除を行う。しかし、本解析は$R(D^{(*)})$アノマリーと一致する領域のすべてを否定するものではなく、より低い結合値は依然として許容されている。

意義
本論文は、この探索が従来のレプトクォーク探索に対して補完的な制約を提供することを主張している。対生成探索は、低質量かつ大きな結合において最も強い制約を与えるが、この単一生成および非共鳴解析は、特定のUV完全モデルにおいて$R(D^{(*)})$アノマリーを説明するために極めて重要な高$\beta_{23}^L$領域を調査する。ベンチマークとなる$U_1$ベクトルレプトクォークモデルにおける結合に対して限界を設定することで、本解析は、$c\nu$結合が支配的な役割を果たすシナリオを検証し、新物理の解明に向けた実行可能なパラメータ空間を狭めている。