Search for pair-production of vector-like $T$ quarks decaying into a top quark and a spin-0 particle in the diphoton final state in proton proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

技術要約：ジフォトンの最終状態における、トップクォークとスピン0粒子への崩壊を伴うベクトル様$T$クォークの対生成の探索

問題と動機
2012年のヒッグス粒子の発見を受け、高エネルギー物理学は、ヒッグスが基本的（fundamental）であるか複合的（composite）であるかの決定、および階層性問題への対処に焦点を当ててきた。部分的複合性（partial compositeness）などの理論は、標準模型（SM）のフェルミオンと混合するベクトル様クォーク（VLQ）、特にトップ・パートナー（$T$）の存在を提唱している。これまでの探索の多くは、VLQがSM粒子（例：$T \to tH, tZ, tW, bW$）へ直接崩壊することを想定してきたが、複合性を伴うモデルでは、しばしば追加のエキゾチックなスカラーまたは擬スカラー（$S$）が予測される。このようなシナリオでは、トップ・パートナーは $T \to St$（ここで$S$は新しいスピン0粒子）という経路で崩壊する可能性がある。もし$S$がSM粒子へと崩壊する場合、これらのカスケード崩壊は、ATLASまたはCMSコラボレーションによってこれまで探索されてこなかった探索トポロジーを提示することになる。本解析は、ペア生成されたVLQ（$pp \to T\bar{T}$）において、一方の$T$が $T \to St \to t\gamma\gamma$ へと崩壊し、他方の$T$が $T \to St \to tX$（ここで$X$は$\gamma\gamma, Z\gamma, WW, ZZ, t\bar{t}$を含む許容されるあらゆる最終状態）へと崩壊する特定のプロセスを対象としている。

手法
本解析では、ATLAS検出器によって収集された、$\sqrt{s}=13$ TeVにおける全Run 2データセット（積分ルミノシティ140 fb$^{-1}$に相当）を利用する。

• イベント選択: 少なくとも2つの孤立した光子（横運動量 $E_T > 38$ GeV、擬ラピディティ $|\eta| < 2.47$、ただしバレル・エンドキャップ遷移領域を除く）を要求するイベントを選択する。少なくとも1つの$b$タグ付きジェットが必要である。ヒッグス粒子の質量領域を避けるため、ジフォトンの不変質量（$m_{\gamma\gamma}$）は150 GeVより大きいことが要求される。
• 運動学的識別子: 標準模型の背景事象に対する主要な識別子は、すべての可視オブジェクト（ジェット、レプトン、光子）の横運動量のスカラー和に欠損横運動量（$E_T^{\text{miss}}$）を加えたもの、すなわち $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ である。この変数は、重い共鳴状態の崩壊生成物は大きな横運動量を持つことが期待されるのに対し、標準模型のプロセスはより低いスペクトルの領域に分布するという理由から選定された。
• 信号および背景事象のモデリング:
  • 信号: MadGraph5_aMC@NLOおよびパートンシャワーリングのためのPythia 8を用いてシミュレーションを行う。信号サンプルは、$T$質量（$m_T$）が1000から1800 GeV、$S$質量（$m_S$）が200から1200 GeVの範囲をカバーしている。本解析では、分岐比（branching ratio）を $T \to St$ と100%仮定する。
  • 背景事象: 連続的なジフォトンの背景事象は、データ駆動型のアプローチを用いて推定される。制御領域（CR）は、より低い $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ の範囲において定義され、背景事象のテンプレートを提供する。信号領域（SR）における背景事象の形状は、データにフィットさせた指数関数 $f(m_{\gamma\gamma}) = N e^{-m_{\gamma\gamma}/\tau}$ によってパラメータ化される。
• 統計解析: 増加する $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ しきい値によって定義される4つの信号領域に対して、アンビンンド同時尤度フィット（unbinned simultaneous likelihood fit）を実行する。背景事象モデリング（偽の信号）、光子エネルギーのスケール/分解能、およびルミノシティを含む系統誤差は、摂動パラメータ（nuisance parameters）を介して組み込まれる。

主な貢献

• 新規な探索トポロジー: これは、ジフォトンの最終状態へとエキゾチックなスピン0粒子を通じて崩壊する、ペア生成されたVLQに関する初のATLASによる探索である。これは、VLQの探索が通常、SMボソンへの直接崩壊を想定していたという空白を埋めるものである。
• モデル独立的な結果: 本探索は特定のカスケードモデルによって動機付けられているが、結果は光子の運動学的要求に基づくフィデューシャル体積（fiducial volume）内で提示される。これにより、結果は特定の $T \to St$ シナリオを超えて、幅広い現象論的モデルに再解釈することが可能となる。
• 包括的なパラメータ空間: 本解析は、広範な質量範囲（$m_T \in [1000, 1800]$ GeV, $m_S \in [200, 1200]$ GeV）をカバーしており、$m_S > m_T - m_t$ となる運動学的に抑制された領域のみを除外している。

結果

• 観測: いかなつの信号領域においても、期待される標準模型の背景事象に対して有意な超過は観測されなかった。データは背景のみの仮説と一致しており、偏差は$2\sigma$以内に留まっている。
• 排除限界: 95%信頼区間（CL）における、フィデューシャル生成断面積 $\sigma_{\text{fid}}(pp \to T\bar{T}) \times \mathcal{B}(S \to \gamma\gamma) \times \mathcal{B}(S \to X)$ の上限値を、$m_T$ および $m_S$ の関数として設定する。
• モデル解釈: 結果は、特定の部分的複合性モデル（文献[61]）の枠組みの中で解釈される。このモデルにおいて、VLQとスピン0粒子が縮退した質量を持つと仮定した場合、スピン0粒子が非光子的最終状態へと崩壊するシナリオ（$2\gamma$ケース、すなわち一方の $S \to \gamma\gamma$ と他方の非光子的モードに対応）において、$m_T = 1620$ GeV 未満の $T$ 質量が排除される。排除限界は、より多くの光子を含むシナリオ（例：$3\gamma$ または $4\gamma$ 最終状態）では、分岐比の低さや受容率（acceptance）の影響により、弱くなる。

意義
本論文の意義は、主にベクトル様クォークの未探索の崩壊チャネルにおける先駆的な探索である点にある。$T \to St$ カスケード（$S \to \gamma\gamma$）を標的とすることで、本解析は、複合ヒッグスモデルによって予測されているものの、これまでATLASによって制約されてこなかったエキゾチックなスカラーを含むVLQ探索の感度を拡張している。信号の観測が得られなかったことは、この特定のトポロジーに対する最初の制約を課すことを可能にし、それによって新しいスピン0媒介子を介して崩壊するトップ・パートナーを予測するモデルの生存可能なパラメータ空間を狭めている。結果はフィデューシャル体積内で高いモデル独立性を持って提示されており、将来の再解釈に対する有用性が保証されている。