Search for single production of a vector-like T quark decaying to a top quark and a neutral scalar boson in the lepton+jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

기술 요약: 중성 스칼라 보손으로 붕괴하는 벡터 유사 쿼크의 단일 생성 탐색

문제 및 동기
본 논문은 전하가 $2e/3$인 벡터 유사 쿼크(VLQ)인 $T$가 탑 쿼크($t$)와 중성 스칼라 보손($\phi$)으로 붕매되는 단일 생성 과정을 탐색한 결과를 제시한다. 스칼라 보손은 표준 모델(SM)의 힉스 보손($H$) 또는 새로운 모델 너머의(BSM) 스칼라 보손($\phi$)으로 간주된다. 정밀 측정 결과는 4세대 키랄 쿼크의 존재를 제한하고 있으나, 벡터 유사 쿼크는 계층 구조 문제를 다루는 다양한 표준 모델 확장 이론의 유효한 예측으로 남아 있다. 이들은 키랄 쿼크와 달리 유카와 결합과 독립적으로 질량을 얻는다. 기존의 탐색은 주로 쌍생성(pair production)이나 $Wb$, $Zt$, 또는$tH$(여기서$H \to$광자 쌍 또는 완전 강입자 붕괴) 채널을 포함하는 단일 생성에 집중해 왔다. 본 분석은 이전에 탐구되지 않았던 새로운 중성 스칼라로의 단일$T$생성 과정인$T \to t\phi$(여기서$\phi \to b\bar{b}$) 붕괴 위상(topology)을 목표로 한다.

방법론
본 분석은 2016~2018년 동안 CMS 실험에서 수집된, 중심 질량 에너지 $\sqrt{s} = 13$ TeV인 양성자-양성자 충돌 데이터(통합 휘도 138 fb$^{-1}$)를 활용한다.

• 신호 위상(Signal Topology): 신호는 바텀 쿼크와 결합하여 생성되는 단일 $T$ 쿼크($bTq$생성)로 특징지어진다.$T$는$t\phi$로 붕괴하며, 여기서 탑 쿼크는 경렙 붕괴($t \to Wb \to \ell\nu b$)를 하고 스칼라 보손은 바텀-안티바텀 쌍으로 붕계($\phi \to b\bar{b}$)한다. 최종 상태는 하나의 고립된 경렙(lepton, $e$ 또는 $\mu$), 결측 가로 운동량($p_T^{miss}$), 그리고 여러 개의 제트(전방 경질 제트 및 부스트된 $b\bar{b}$ 시스템 포함)로 구성된다.
• 사건 재구성(Event Reconstruction):
  • 스칼라 보손 ($\phi$): $p_T > 500$ GeV인 대반경 제트(AK8, $R=0.8$)로 재구성된다. $X \to b\bar{b}$ 붕괴로부터 기원하는 제트를 태깅하기 위해 질량 비상관(mass-decorrelated, MD) 딥 뉴럴 네트워크인 PARTICLENET-MD($Xbb$ 태거)가 사용된다.
  • 탑 쿼크: 경렙, AK4 제트, 그리고 $p_T^{miss}$로부터 재구성된다. 진정한 탑 쿼크 후보($t_{true}$)와 조합 배경(combinatorial background, $t_{QCD}$ 및 $t_{oth}$)을 구별하기 위해 다중 클래스 부스팅 결정 트리(multiclass BDT)를 사용하는 머신러닝 접근법이 개발되었다. 병합된(merged) 구성과 분해된(resolved) 구성, 경렙 종류, $p_T$ 범위에 대해 별도의 BDT가 학습되었다.
• 사건 범주화(Event Categorization): 선택된 사건들은 탑 쿼크 및 $Xbb$ 태깅의 품질에 따라 서로 배타적인 영역에 따라 분류된다:
  • 신호 영역(SRs): 엄격한 탑 태깅(TopT)과 엄격한 $Xbb$ 태깅(XbbT), 또는 느슨한 탑 태킹(TopL)과 엄격한 $Xbb$ 태깅을 가진 사건들.
  • 검증 영역(VRs): 데이터-배경 일치성을 검증하는 데 사용됨 (예: TopT/XbbL, TopL/XbbL).
  • 제어 영역(CRs): 태깅 효율 및 오태깅(mistag) 비율을 교정하는 데 사용됨 (예: TopT/XbbV, LepT/XbbT).
• 통계 분석: 재구성된 $T$ 쿼크 후보의 불변 질량 분포($M_{\ell\nu bJ}$)에 대해 SR 및 VR 전체에 걸쳐 동시 최대 가능도 적합(simultaneous maximum likelihood fit)을 수행한다. 계통 오차(이론적 및 실험적)는 섭동 매개변수(nuisance parameters)로 처리된다. 상한선을 설정하기 위해 $CL_s$ 방법이 사용된다.

주요 기여

• 새로운 붕괴 채널: 본 연구는 탑 쿼크와 새로운 중성 스칼라 보손으로 붕괴하는 단일 $T$ 쿼크 생성에 대한 첫 번째 배제 한계(exclusion limits)를 제공한다.
• 최적화된 재구성: 본 분석은 부스트된 위상에 최적화된 특화된 머신러닝 기반 탑 쿼크 태깅 알고리즘(BDT)을 도입하였으며, 이는 컷 기반 방법보다 식별 효율을 크게 향상시킨다 (6%의 배경 오식별률에서 약 30%의 상대적 개선).
• 포괄적인 질량 스캔: 본 연구는 넓은 범위의 $T$ 쿼크 질량($1.3$–$3.0$ TeV)과 스칼라 보손 질량($25$–$250$ GeV)을 다룬다.
• SM 힉스 해석: 본 분석은 $T \to tH$ 채널에 대한 결과도 해석하여, 이 특정 붕괴 모드에 대한 업데이트된 제약을 제공한다.

결과
표준 모델 배경 사건에 대해 유의미한 과잉(excess)은 관찰되지 않았다. 결과적으로, 생성 단면적과 분기비의 곱($\sigma \times \mathcal{B}$)에 대한 95% 신뢰 수준(CL) 상한선이 설정되었다.

• $T \to t\phi$ 채널: 새로운 스칼라 보손 $\phi$에 대해, $\sigma \times \mathcal{B}(T \to t\phi \to t b\bar{b})$에 대한 관측된 한계는 $\phi$의 질량에 따라 $T$ 질량 1.3~3.0 TeV 사이에서 14.7 fb에서 0.1 fb 사이를 변동한다. 구체적으로, $m_\phi = 25$ GeV인 경우, $m_T \in [1.0, 3.0]$ TeV에 대해 2.3에서 0.1 fb보다 큰 값이 배제된다. $m_\phi = 250$ GeV인 경우, $m_T \in [1.3, 3.0]$ TeV에 대해 14.7에서 0.3 fb보다 큰 값이 배제된다.
• $T \to tH$ 채널: 표준 모델 힉스 보손으로의 붕괴에 대해, $m_T$가 1.0~3.0 TeV 사이일 때 100에서 1.0 fb보다 큰 값이 95% CL에서 배제된다.

의의
본 논문은 이러한 결과가 탑 쿼크와 새로운 중성 스칼라 보손으로 붕괴하는 단일 $T$ 쿼크 생성에 대해 설정된 첫 번째 배제 한계임을 주장한다. 또한, $T \to tH$ 붕괴 채널의 경우, 본 분석은 $m_T$가 2 TeV 이상인 $T$ 쿼크 질량에 대해 현재까지 가장 좋은 생성 단면적 한계를 제공한다. 본 결과는 $m_T \ge 1.3$ TeV인 $m_T$에 대한 단일 $T$ 생성의 모든 이전 CMS 탐색 결과보다 개선된 수치를 보여준다. 본 분석은 붕괴 생성물의 큰 로런츠 부스트(Lorentz boost)에 대한 특별한 민감도를 입증하며, 이는 고질량 $T$ 쿼크 시나리오에 효과적이다.