Search for a new neutral gauge boson produced in association with one or two b jets and decaying into a pair of muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

기술 요약: $b$ 제트와 결합하여 생성되고 디뮤온으로 붕괴하는 새로운 중성 게이지 보손($Z'$) 탐색

문제 및 동기
표준 모형(Standard Model, SM)은 중성미자 질량, 물질-반물질 비대칭성, 암흑 물질을 포함하여 관측된 여러 현상을 설명하는 데 실패하고 있다. 최근 $B$ 중간자 붕괴율, 특히 $R(K^*)$와 $R(D^*)$의 비율에서 나타난 이상 현상은 $b \to s\ell\ell$ 및 $b \to c\ell\nu_\ell$ 전이에서 잠재적인 레프톤 맛깔 보편성(lepton flavor universality) 위반을 시사했다. 업데이트된 LHCb 측정값들이 $b \to s\ell\ell$ 전이에 대한 일부 긴장 상태를 완화하기는 했으나, 3세대 페르미온에 대해 비보편적 결합을 갖는 중성 게이지 보손($Z'$)을 제안하는 이론적 모델들은 여전히 유효하다. 구체적으로, 가족 의존적 전하를 가진 자발적으로 깨진 $U(1)_X$ 게이지 군을 포함하는 모델들은 바텀 쿼크와 뮤온에 우선적으로 결합하는 $Z'$ 보손을 시사한다.

LHC에서의 이전 $Z'$ 보손 탐색은 주로 경질 쿼크 융합(light-quark fusion) 또는 고질량 영역($>350$ GeV)을 통한 포괄적 생성에 초점을 맞추어 왔다. 그러나 이러한 탐색은 종종 맛깔 보편적 결합을 가정하며, 이는 $B$-물리학 이상 현상을 해결하기 위한 모델에는 적용되지 않을 수 있다. 바텀-바텀($b\bar{b}$) 또는 바텀-스트레인지($b\bar{s}$) 쿼크 융합을 통해 생성되는 $Z'$ 보손을 위한 저질량 영역($125–350$ GeV)을 조사할 구체적인 필요성이 존재하며, 이 생성 모드는 비보편적 결합을 가진 모델에서 강화되지만 포괄적 탐색에서는 덜 제약되어 왔다.

방법론
본 분석은 LHC Run 2(2016–2018) 동안 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 CMS 검출기에 의해 수집된 양성자-양성자 충돌 데이터(통합 휘도 $138 \text{ fb}^{-1}$에 해당)를 활용한다.

• 신호 모델: 탐색 대상은 좁은 스핀-1 $Z'$ 공명(폭 $<1\%$ 질량)이며, 디뮤온 쌍($\mu^+\mu^-$)으로 붕괴한다. $Z'$는 하나 또는 두 개의 제트와 함께 생성되며, 적어도 하나의 제트는 $b$-태깅된다. 벤치마크 모델은 레프톤 섹터에서는 뮤온 및 뮤온 중성미트에 대해 배타적 결합을 가지며, 쿼크 섹터에서는 바텀 쿼크(및 플레이버 변화 중성 전류 $\delta_{bs}$를 통한 잠재적 스트레인지 쿼크)에 결합한다고 가정한다.
• 이벤트 선택: 사건들은 $p_T > 53$ GeV 및 $|\eta| < 2.4$인 정확히 두 개의 반대 부호, 동일 맛깔 레프톤(뮤온)을 요구하는 조건으로 선택된다. 분석은 제트 다중도(1-제트 또는 2-제트)와 $b$-태깅 상태에 따라 사건을 분류한다. 신호 영역(SR)은 적어도 하나의 $b$-태깅된 제트를 요구한다. 제어 영역(CR)은 배경을 추정하기 위해 디일렉트론 쌍 또는 경질 쿼크/글루온 제트를 사용하여 정의된다.
• 배경 추정: 디얀(Drell-Yan) 플러스 $b$-제트 단면적 측정값과 시뮬레이션 사이의 관측된 불일치로 인해, 배경 추정은 ABCD 행렬 기법을 사용한 전적으로 데이터 기반 방법에 의존한다.
  • 이 방법은 상관관계가 없는 두 변수인 레프톤 맛깔(뮤온 대 전자)과 $b$-태깅 상태($b$-태깅됨 대 $b$-태깅되지 않음)를 활용한다.
  • 디뮤온 $b$-태깅 영역의 신호 수율은 디일렉트론 $b$-태깅, 디뮤온 비-$b$-태깅, 디일렉트론 비-$b$-태깅의 세 가지 제어 영역으로부터의 수율을 사용하여 예측된다.
  • 전자와 뮤온 사이의 수용력(acceptance) 및 해상도 차이를 보정하기 위해 전이 계수(transfer factors)가 도출된다.
• 계통 불확실성: 불확실성에는 트리거 효율, 레프톤 재구성/식별, 제트 에너지 스케일/해상도, $b$-태깅 효율, 파일업(pileup) 모델링, 그리고 파톤 분포 함수(PDF)가 포함된다. 특정 불확씨성은 제어 영역에서의 피팅 변동에 기초한 ABCD 방법의 폐쇄성(closure)에 할당된다.
• 통계 분석: 데이터 수집 연도 및 제트 다중도 범주에 걸쳐 동시 최대 가능도 피팅(simultaneous maximum likelihood fit)이 수행된다. $Z'$ 질량에 대한 단면적, 분기비, 수용력, 효율의 곱($\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$)의 한계는 95% 신뢰 수준(CL)에서 점근적 근사를 사용하여 설정된다.

주요 기여

• 저질량 범위에서의 첫 결과: 본 논문은 $125–200$ GeV 질량 범위에서 바텀 쿼크 융합을 통한 $Z'$ 생성에 대한 최초의 구체적인 한계를 제시한다.
• $b$-융합에 대한 엄격한 제약: $200–350$ GeV 질량 범위에 대해, 본 결과는 포괄적 $Z'$ 탐색을 보완하며 바텀 쿼크 융합($b\bar{b}$ 및 $b\bar{s}$)을 포함하는 $Z'$ 생성 모드에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약을 제공한다.
• 모델 독립적 제시: 결과는 모델 독립적인 방식으로 제공되며, 7개의 서로 다른 생성 범주(예: $0b(b-s)$, $0b(b-b)$, $1b$, $1s$, $1b+1s$, $2b$, $2s$)에 대해 프로세스 의존적 수용력 및 효율 값을 제공한다. 이를 통해 특정 벤치마크를 넘어 다양한 이론적 모델에 대한 재해석이 가능하다.
• 데이터 기반 배경: 본 분석은 지배적인 배경에 대해 잠재적으로 부정확할 수 있는 몬테카를로 시뮬레이션에 의존하는 대신, 강력하고 완전히 데이터 기반인 ABCD 추정 전략을 채택한다.

결과

• 관측: 데이터에서 배경-전용 가설로부터 유의미한 편차는 관측되지 않았다. 신호 영역에서의 관측된 데이터 분포는 불확실성 범위 내에서 ABCD 배경 예측과 일치한다.
• 제한값(Exclusion Limits): 125에서 350 GeV 사이의 $Z'$ 질량에 대해 $\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$의 상한선이 95% CL에서 설정되었다. 제외된 단면적 한계는 약 $0.2$에서$2$ fb 사이이다.
• 국소 유의성(Local Significance): $230$ GeV 질량에서 $1$-제트 신호 영역($SR^\mu_\mu_b$)에서$3.1$ 표준 편차의 국소 편차가 관측되었다. 그러나 두 신호 영역에 걸친 Look-elsewhere 효과를 고려한 후, 전역 유의성(global significance)은 배경 요동과 일치하는 $0.5$ 표준 편차로 감소한다.
• 수용력 및 효율: 상세한 표(표 5–11)는 각 생성 범주 및 신호 영역에 대한 수용력 및 효율 곱을 제공하여, 특정 이론적 모델에 대한 이 제한값들의 재해석을 용이하게 한다.

의의
본 논문은 이러한 결과가 기존의 포괄적 $Z'$ 탐색을 보완하는 중요한 역할을 한다고 주장한다. 바텀 쿼크 융합이라는 특정 생성 메커니즘을 목표로 함으로써, 본 분석은 맛깔 보편성을 가정하는 모델들에 의해 덜 제약된 매개변수 공간 영역을 조사한다. 본 결과는 특히 $B$-물리학 이상 현상에 의해 동기 부여된 $125–350$ GeV 질량 범위 내의 3세대 페르미온에 대한 비보편적 결합을 제안하는 특정 $Z'$ 모델들을 효과적으로 배제하거나 제약한다. 모델 독립적인 제한값과 수용력 인자의 제공은 이 결과가 표준 모형 너머의 물리의 향후 이론적 발전을 테스트하는 데 지속적으로 가치 있게 남도록 보장한다.