Search for high-mass resonances in photon-jet final states using 140 fb$^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

技術要約：ATLAS実験による光子・ジェット最終状態における高質量共鳴の探索

問題と動機
本論文は、LHCのRun 2中にATLAS検出器によって収集された、重心エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeV の陽子–陽子（$pp$）衝突における新しい高質量現象の探索を提示する。この解析は、高横運動量を持つ光子とジェット（$\gamma$–jet）からなる最終状態を対象としている。このようなシグネチャは、励起クォーク状態（$q^*$）を導入するクォークの複合性モデルを含む様々な標準模型（SM）を超えるシナリオや、微視的な量子ブラックホール（QBH）の生成を予測する余剰次元理論（Randell-SundrumおよびArkani-Hamed-Dimopoulos-Dvaliモデル）によって予測されている。本研究の目的は、$\gamma$–jet不変質量（$m_{\gamma j}$）スペクトルにおける局所的な過剰を特定することであり、それによってフェルミオンの家族構造や階層性問題といった未解決のSMの問題に対処することである。

手法
解析は、140 fb$^{-1}$の積分輝度に相当するデータセットに基づいている。イベント選択では、中心検出領域（$|\eta| < 1.37$）内において、高$p_T$の光子（$p_T > 150$ GeV）およびジェット（$p_T > 150$ GeV）を要求し、不変質量 $m_{\gamma j} > 500$ GeV とする。ブレムストラールングや$t$チャネル生成による背景事象を抑制するために、光子とジェットの間の運動量バランスに関する制約や、それらの擬ラシディティ差（$|\Delta\eta| < 1.6$）の制限を含む運動学的制約が適用される。

本解析における主要な手法上の進展は、ライトフレーバー、$c$、および$b$ジェットを識別するためのトランスフォーマーベースのアルゴリズムであるGN2タガーの活用である。これにより、以下の3つの排他的なシグナル領域を定義することが可能となる：

• SR (Inclusive): 選択されたすべてのイベントを含む。
• SRB: リーディングジェットが$b$ジェットとしてタグ付けされていることを要求する。
• SRC: リーディングジェットが$c$ジェットとしてタグ付けされていることを要求する。
• SRL: ジェットが$b$および$c$の両方のタグ付け要件を満たさないイベントを含む。

励起クォークおよびQBHのシグナルモデリングは、高速検出器シミュレーション（AtlFast3）またはフルGeant4シミュレーション（サンプルによる）を用いたモンテカルロシミュレーションを用いて行われる。背景事象のモデリングは、滑らかに減少する関数（例：$f_b(x) = n_{bkg}(1-x)^{p_0}x^{-\sum p_i(\ln x)^{i-1}}$）を用いたデータへの関数的フィットに依存する。ルミノシティ、オブジェクト再構成、パイロットアップ、および背景モデリング（「スプリアス信号」テストにより定量化）に由来する系統誤差は、ビン化された尤度フィットに組み込まれる。統計解析には、排除限界を設定するための$CL_s$法と、局所的な過剰をスキャンするためのBumpHunterアルゴリズムが用いられる。

主な貢献

• $c^*$に対する初の直接的な制約: 本研究は、LHCにおける$\gamma$–jet最終状態における励起チャームクォーク（$c^*$）の生成に対する初の直接的な制約を提供する。SRL、SRB、およびSRC領域にわたる同時フィットを行うことにより、複数のフレーバータグ付けカテゴリに分布する$c^*$シグナルへの感度を向上させている。
• 重いフレーバーの励起クォーク: 本研究は、ライトフレーバーの状態（$q^*_L$）に加えて、重いフレーバーの状態（$b^*$および$c^*$）を含む励起クォークの探索を拡張し、結合強度$f$に対する断面積の依存性を調査している。
• モデルに依存しない限界: 特定のベンチマークモデルに加えて、本解析は、質量に対して2%から15%の幅を持つ一般的なガウス型共鳴に対する可視断面積の限界を設定しており、他の理論的枠組みへの再解釈を容易にしている。
• 改良された背景モデリング: 本解析は、以前のATLAS探索（36.7 fb$^{-1}$）と比較して、改良された背景モデリング技術とより大きなデータセット（140 fb$^{-1}$）を利用しており、高質量共鳴に対する感度を高めている。

結果
どのシグナル領域においても、$m_{\gamma j}$ スペクトル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。データは背景のみの仮説によく一致しており、$p$値は領域に応じて0.11から0.62の範囲であった。BumpHunterアルゴリズムは、統計的に有意な局所的過剰を特定できなかった。

その結果、様々な新物理シナリオに対する95%信頼区間（CL）での厳格な上限値が設定された：

• 励起クォーク ($f=1$): ライトフレーバーの$q^*_L$ ($u^*/d^*$) に対しては最大6.0 TeV、 $c^*$ に対しては3.5 TeV、 $b^*$ に対しては2.6 TeVまでの質量が排除される。
• 量子ブラックホール: Randall-Sundrum (RS1, $n=1$) モデルに対しては最大5.3 TeV、ADDモデル ($n=6$) に対しては7.5 TeVまでの質量閾値が排除される。
• 一般的な共鳴: 探索された質量および幅の範囲におけるガウス型共鳴の可視断面積に対する限界が確立された。

意義
著者は、これらの結果が$\gamma$–jet最終状態において現在最も厳しい制約であることを述べている。$c^*$生成の排除は、これまでのLHCの結果ではこのチャネルにおいて直接的にこれらのプロセスを制約していなかったため、分野における新規の貢献である。本解析は、高度なフレーバー標識技術と洗練された統計的手法を活用し、フルRun 2データセットを用いて高質量スケールを探索するATLAS検出器の能力を実証しており、階層性問題やフェルミオンの複合性を扱う理論的枠組みを制約している。