Search for new physics using single-lepton events with high multiplicities of jets and b jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS検出器による13 TeVの陽子・陽子衝突データ138 fb$^{-1}$を用い、本研究では、大半径ジェット質量を解析することにより、高いジェットおよびbジェット多重度を持つ単一レプトン事象におけるRパリティ違反超対称性を探索し、有意な超過は見出されず、95%信頼区間において1890 GeV未満のグルイーノ質量を排除した。

要約

全体像：宇宙のピンボールマシンにおける「ゴースト」粒子の探索

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を、世界で最も強力な宇宙のピンボールマシンだと想像してみてください。科学者たちは、2つの陽子の流れを光速に近い速度で衝突させています。通常、これらの衝突は、既知の物理学のルールブックである「標準模型」に従った、予測可能な粒子のシャワーを生み出します。

しかし、時としてそのルールブックは不完全である可能性があります。この論文は、現在のルールブックでは説明できない事象を解明できるかもしれない新しい物理学、具体的には**超対称性（SUSY）**と呼ばれる理論の探索について記述しています。

ミステリー：「帳尻が合わないお金」問題

多くの超対称性のモデルでは、新しい重い粒子が生成されると、それらは安定した目に見えない粒子（ダークマターの候補など）へと崩壊します。この目に見えない粒子は、検出器に何も当てることなく飛び去ってしまうため、まるで銀行口座から**お金が消えた（帳尻が合わない）**かのように見えます。科学者たちは通常、この「消えたお金」（これを「欠損横運動量」と呼びます）を探すことで、新しい物理学を見つけ出そうとします。

しかし、この論文では、Rパリティ非保存（RPV）超対称性と呼ばれる異なるバージョンの理論を調査しています。

• 比喩： 銀行強盗が、お金を盗んでただ姿を消すのではなく、逃走する前にそのお金をすべて目に見えるアイテム（金塊や宝石など）に即座に換金して使い切ってしまう様子を想像してください。
• 結果： 「消えたお金」は残されていません。泥棒は去りましたが、そこには大量かつ非常に目立つ「金塊や宝石（粒子）」の山が残されています。

「消えたお金」を探すことができないため、科学者たちは戦略を変更しなければなりませんでした。彼らは「空虚な空間」を探すのをやめ、「膨大な破片の山」を探すことにしたのです。

戦略：破片のカウント

科学者たちは、グルイーノ（超重量級の「接着剤」のような粒子と考えてください）と呼ばれる重い粒子が生成され、その後爆発するという特定のシナリオに焦텁しました。

• 爆発： グルーイーノが爆発するとき、それは単なるパン屑を作るのではなく、ジェット（粒子の噴流）による混沌とした嵐を作り出します。
• 詳細： 理論によれば、一つの爆発はトップクォーク、ボトムクォーク、そしてストレンジクォークを作り出します。ボトムクォークはこの嵐の中における「重い金塊」のようなものです。
• シグナル： 科学者たちは以下の条件を満たすイベントを探しました：
  1. 1つのレプトン： 単一の電子またはミューオン（嵐の中の際立った火花のようなもの）。
  2. 高いジェット多重度： 膨大な数の粒子の噴流（嵐そのもの）。
  3. 多くの「bジェット」： 重いボトムクォークを含む、数多くの噴流（金塊）。
  4. 欠損エネルギーなし： 「泥棒」は目に見えない戦利品を持っていきませんでした。

この嵐の大きさを測定するために、彼らは $M_J$（大きな粒子クラスターの質量の総和）と呼ばれる特別なツールを使用しました。もし新しい物理学が存在するならば、この数値は非常に高くなり、通常の背景事象の丘とは異なるデータの「山」を作り出すはずです。

手法：「データ駆動型」の探偵術

この実験の最も難しい部分は、「正常」がどのような状態であるかを知ることです。背景ノイズは、標準的な粒子衝突（トップクォーク対など）から発生し、それらが偶然シグナルのように見えることがあります。

コンピューター・シミュレーション（分布の「裾（テイル）」の部分については誤りが生じる可能性があるため）に完全に頼るのではなく、チームはデータ駆動型のアプローチを採用しました。

1. コントロール領域： 背景ノイズしか存在しないことが分かっている領域（交通の音を理解するために静かな通りを見るようなもの）を調査しました。
2. 較正（キャリブレーション）： これらの静かな領域で背景がどのように振る舞うかを測定し、それを用いて、新しい物理学が見つかるかもしれない「シグナル領域（賑やかな大通り）」で背景がどのように見えるべきかを予測しました。
3. フィット： シグナル領域における実際のデータと、彼らの予測を比較しました。

結果：グルイーノの沈黙

138単位のデータ（2016年から2018年の間に収集された膨大な衝突履歴）を分析した後、科学者たちは以下の結論を得ました。

• 驚きなし： データは背景の予測と完全に一致しました。新しい物理学の「山」は見つかりませんでした。
• 排除： シグナルが見つからなかったため、特定の可能性を排除することができました。彼らは、もしこれらの特定のグルイーノが存在するならば、その質量は1,890 GeV（プロトンの約2,000倍の重さ）よりも重くなければならないと結論付けました。
• 教訓： これより軽いグルイーノは、この探索によって「排除（否定）」されました。

まとめ

この論文は、膨大な粒子の群衆の中での「ウォーリーを探せ！」という高リスクなゲームです。チームは、特定のタイプの「泥棒」（グルイーノ）を探しました。その泥棒は、目に見えない戦利品ではなく、目に見える証拠の巨大な山（ジェットとボトムクォーク）を残していきます。彼らはデータの隅々までチェックし、実世界の例を用いて探索を較正しましたが、何も発見できませんでした。その結果、もしこれらの粒子が存在するとしても、今回の特定の網にかかるには重すぎるのだと宣言しました。これらより軽いバージョンの粒子を求める探索は、空振りに終わったのです。

技術概要

技術要約：$\sqrt{s} = 13$ TeVにおける高ジェット多重度を持つ単一レプトン事象を用いた新物理の探索

問題と動機
標準模型（SM）は基本粒子を記述することに成功しているが、粒子の質量階層やゲージ結合の統一といった理論的課題には対処できていない。超対称性（SUSY）は潜在的な解決策を提供するが、Rパリティ保存型のSUSY探索は、多くの場合、大きな欠損横運動量（$p^{\text{miss}}_T$）のシグネチャに依存しているが、これはRパリティ破れ（RPV）のシナリオでは存在しない。RPVモデルでは、最軽量超対称粒子（LSP）は標準模型の粒子へと崩壊するため、$p^{\text{miss}}_T$のシグネチャが消失し、代替となる探索戦略が必要となる。本論文は、RPV SUSYの探索、特に最小フレーバー混合の枠組みにおける$\lambda''_{323}$結合を介した、グルイーノがトップ（$t$）、ボトム（$b$）、ストレンジ（$s$）クォークへと崩壊するグルイーノ対生成に焦点を当てている。この解析は、大きな欠損横運動量を要求せず、高いジェット多重度、高い$b$ジェット数、および単一レプトンを伴う事象を対象としている。

手法
本解析は、2016年から2018年におけるCERNのLHCでのCMS検出器による衝突データ（重心エネルギー13 TeV、積分ルミノシティ138 fb$^{-1}$に相当）を利用している。

• 事象選択: 事象は、正確に1つの孤立した電子またはミューオン（$N_{\text{lep}} = 1$）、少なくとも4つの小半径ジェット（$R=0.4$）、およびジェット横運動量のスカラー和（$H_T$）が1200 GeV超であることを要求することで選択される。主要な識別変数として、大半径ジェット質量の総和（$M_J$）を用いる。これは、$R=1.2$でクラスタリングされたジェット（選択されたレプトンを含む）の質量の総和として定義される。ベースラインの要求として、$M_J > 500$ GeVが適用される。
• 解析領域: 解析は、ジェット多重度（$N_{\text{jet}}$）および$b$タグ付きジェットの数（$N_b$）のビンを用いて行われる。信号領域（SR）は、高$N_{\text{jet}}$かつ高$N_b$のビン（具体的には $N_{\text{jet}} \ge 8$ かつ $N_b \ge 3$）で定義され、背景事象の正規化を制約するために、より低い多重度を持つ制御領域（CR）が使用される。
• 背景事項推定: 主要な背景事象は、トップクォーク対生成（$t\bar{t}$）、W+jets、およびQCD多重ジェットである。背景事象の正規化は、すべてのビンにおける$M_J$分布への同時フィットを通じて決定されるデータ駆動型アプローチが採用されている。
  • $\kappa$因子: シミュレーションとデータの$M_J$形状の間の不一致を補正するために、独立した制御サンプルから補正因子（$\kappa_1$および$\kappa_2$）が導出される。これらの因子は、低$N_b$領域の統計的優位性を利用したグローバルフィットによって制約される。
  • 正規化: $t\bar{t}$およびQCD多重ジェットの正規化は、CR（$N_{\text{jet}}$の条件をシフトさせた$N_{\text{lep}}=0$の領域を含む）によって制約される自由パラメータとして扱われる。W+jetsの正規化は、全ビンにわたるグローバルなパラメータによって制約される。
• 系統誤差: 系統誤差には、ジェットエネルギーのスケール/分解能、$b$タギング効率、レプトン識別、パイルアップ、および理論的なスケール変動が含まれる。本解析は、$M_J$の形状が$N_b$（例：グルーオン分裂によるもの）に依存する可能性に特に対処しており、各$N_b$ビンに対して個別の不確かさを割り当てている。

主な貢献

• 新規の識別変数: 本論文は、$p^{\text{miss}}_T$が存在しない状況において、高多重度の信号事象を標準模型の背景事象から区別するための堅牢な変数として、大半径ジェット質量の総和（$M_J$）の有効性を実証している。
• データ駆動型の背景モデリング: 背景事象を各$N_b$ビンで個別に正規化するという洗練された戦略が提示されている。これにより、従来の解析における制限要因であったジェットのフレーバー組成やグルーオン分裂に関連する系統誤差が軽減される。
• 包括的なフィットフレームワーク: $N_{\text{jet}}$、$N_b$、および$M_J$のビンにわたる同時ビン最大尤度フィットの使用により、背景事象の正規化と形状補正（$\kappa$因子）を同時に抽出することが可能となり、制御領域を使用して信号領域を制約する能力が最大化されている。

結果
信号領域における観測された事象収量は、背景事象の予測と一致している。$M_J$分布において、背景事象に対する有意な過剰は観測されていない。

• 排除限界: 零の結果に基づき、生成断面積×分岐比の上限値が95%信頼区間（CL）で設定された。
• 質量限界: 特定の簡略化されたモデルであるグルイーノ対生成（$\tilde{g}\tilde{g} \to tbs \, tbs$）について、1890 GeV未満のグルイーノ質量が95% CLで排除される。この結果は、ATLAS実験（1830 GeV）や以前のCMSの結果を含む、これまでの限界値を改善している。

意義
本研究は、欠損エネルギーのシグネチャが適用できない、高いジェットおよび$b$ジェット多重度を持つ領域における、Rパリティ破れ超対称性の厳格なテストを提供する。グルイーノ質量を1890 GeVまで排除することにより、本解析は最小フレーバー混合RPV SUSYモデルのパラメータ空間を大幅に制約している。$M_J$テンプレートと$N_b$ビン正規化を用いたデータ駆動型の背景推定を用いる手法は、伝統的な欠損エネルギーのシグネチャが適用できない高多重度最終状態における将来の物理探索のための堅牢なフレームワークを提供する。結果は標準模型と一致しており、この特定のグルイーノ崩壊トポロジーに対して現在最も感度の高い探索である。