Search for ttbar resonances in final states with exactly one or two leptons using 140 fb$^{-1}$ of pp collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS experiment

기술 요약: 정확히 1개 또는 2개의 경량자가 포함된 최종 상태에서의 $t\bar{t}$ 공명 탐색

문제 및 동기
본 논문은 전약력 규모와 플랑크 규모 사이의 계층 구조와 같은 열린 질문들을 해결하고자 하는 다양한 표준 모형(SM) 확장 이론들이 예측하는, 무거운 공명 상태가 탑-반탑($t\bar{t}$) 쿼크 쌍으로 붕괴하는 과정에 대한 탐색을 제시한다. 이 분석은 스핀-1 및 스핀-2 공명을 대상으로 하며, 구체적으로 $Z'$ 보존(스핀-1, 색 단일항), Kaluza–Klein (KK) 중력자(스핀-2, 색 단일항), 그리고 KK 글루온(스핀-1, 색 팔단항)을 타겟으로 한다. ATLAS와 CMS가 수행한 기존의 완전 강입자(fully-hadronic) 및 단일 경량자(single-lepton) 탐색과 CMS가 포함했던 이경량자(dilepton) 탐색과 달리, 본 연구는 이러한 특정 공명들에 대해 이경량자 채널을 대상으로 한 최초의 ATLAS 탐색이다. 또한, 향-상향된 재구성 기술과 검증 영역의 포함을 통해 이전의 36 fb$^{-1}$ 분석을 개선하여 전체 Run 2 데이터셋(140 fb$^{-1}$)을 활용한다.

방법론
분석에는 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 ATLAS 검출기를 통해 수집된 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다. 탐색은 두 가지 최종 상태에 집중한다:

1. 1-경량자 채널: 하나의 탑 쿼크는 반경량자(semi-leptonic)로 붕괴하고($t \to bW \to b\ell\nu$), 다른 하나는 강입자(hadronic)로 붕해한다($t \to bW \to bqq'$).
2. 2-경량자 채널: 두 탑 쿼크 모두 경량자로 붕해한다($t \to bW \to b\ell\nu$).

사건 선택은 정확히 하나 또는 두 개의 프롬프트 전자 또는 뮤온, 큰 결측 횡운동량($E_T^{miss}$), 그리고 적어도 두 개의 제트(이 중 적어도 하나는 $b$-제트로 식별됨)를 요구한다.

• 사건 범주화:

  • 1-경량자 채널에서, 사건들은 강입자로 붕해하는 탑 쿼크의 로런츠 부스트(Lorentz boost)에 따라 "병합(merged)" 및 "분해(resolved)" 위상에 따라 나뉜다. 고질량($m_{t\bar{t}} > 2$ TeV)의 경우, 붕해 생성물들이 하나의 커다란 반경 제트로 병합되며, 이는 심층 신경망(DNN) 탑 태거(top-tagger)를 사용하여 식별된다. 분해 위상에서는 적어도 네 개의 작은 반경 제트가 필요하다. 이 범주들은 더욱 세분화되어 직교하는 신호 영역과 검증 영역을 정의하기 위해 $b$-태그 수(1b 또는 2b)와 각도 변수($\Delta\eta$)를 사용한다.
  • 2-경량자 채널에서, 사건들은 스핀-1 공명에 대한 민감도를 최적화하기 위해 두 경량자 사이의 방위각 차이($\Delta\phi_{\ell\ell}$)를 기준으로 다섯 개의 영역으로 분류된다. 검증 영역은 의사 라피디티(pseudorapidity) 차이($\Delta\eta_{\ell\ell}$)를 사용하여 정의된다.

• 배경사건 추정:

  • 지배적인 배경사건인 SM $t\bar{t}$ 생성은 NLO 정확도를 가진 Powheg Box v2 + Pythia 8 기반의 몬테카를로(MC) 시뮬레이션을 사용하여 모델링되며, NNLO QCD + NLO EW 미분 예측으로 보정된다.
  • $W/Z$+제트 및 단일 탑 배경사건은 MC(Sherpa, Powheg)로 모델링되며, 데이터 기반 스케일 인자(예: $W$+제트에 대한 전하 비대칭성)를 사용하여 보정된다.
  • "페이크(fakes)" 배경사건(경량자로 오인된 비프롬프트 경량자 또는 제트)은 1-경량자 채널에서 데이터 기반 매트릭스 방법을 사용하여 추정된다.
  • 2-경량자 채널에서, $Z$+제트 배경사건의 형태는 $Z$가 풍부한 제어 영역으로부터 유도된 재가중(reweighting) 절차를 통해 보정된다.

• 통계 분석:
  재구성된 $t\bar{t}$ 불변 질량($m_{t\bar{t}}$, 1-경량자 채널용)과 두 경량자 및 두 $b$-제트의 불변 질량($m_{\ell\ell bb}$, 2-경량자 채널용)을 사용하여 모든 신호 영역(1-경계 3개, 2-경계 5개)에 대해 빈 기반 프로파일 우도 적합(binned profile-likelihood fit)을 동시에 수행한다. 계통 오차(실험적 및 이론적)는 넌스리어스 파라미터(nuisance parameters)로 처리된다.

주요 기여

• 최초의 ATLAS 이경량자 탐색: 본 연구는 완전 강입자 및 단일 경량자 탐색을 보완하는, $t\bar{t}$ 공명 탐색에 이경량자 채널을 포함한 최초의 ATLAS 탐색이다.
• 전체 Run 2 데이터셋: 본 분석은 2015–2018년의 전체 140 fb$^{-1}$ 데이터셋을 활용하며, 이는 이전의 36 fb$^{-1}$ 분석에 비해 통계적 성능을 크게 향상시킨다.
• 고급 재구성: 병합된 위상을 위한 DNN 기반 탑 태거의 사용과 분해 위상에서의 개선된 $t\bar{t}$ 재구성은 전 질량 범위에 걸쳐 민감도를 높인다.
• 포괄적인 배경사건 검증: 전용 검증 영역의 포함은 최종 적합 전 SM $t\bar{t}$ 배경 모델링에 대한 강력한 검증을 가능하게 한다.

결과

• 관측: 조사된 전체 불변 질량 스펙트럼($0.4$TeV ~$5.0$ TeV) 전반에 걸쳐 표준 모형 예측으로부터 유의미한 편차는 관찰되지 않았다. 데이터는 배경사건-만(background-only) 가설과 일치하며, 적합도 확률(goodness-of-fit probability)은 95%이다.
• 배제 한계: 벤치마크 모델들에 대한 생성 단면적 곱 브랜칭 비율($\sigma \times \mathcal{B}$)에 대한 95% 신뢰 수준(CL) 상한선이 설정되었다:
  • $Z'_{TC2}$ (스핀-1, 좁은 폭): 질량 최대 4.2 TeV (폭 3%) 및 3.65 TeV (폭 1.2%)까지 배제되었다. $m_{t\bar{t}} < 1.5$ TeV 구간에서 이는 현재까지 가장 엄격한 한계치이다.
  • $G_{KK}$ (스핀-2, 좁은 폭): 질량 최대 1.3 TeV까지 배제되었다. 이는 $t\bar{t}$ 붕해 채널에서 현재까지 가장 강력한 한계치를 나타내지만, 다이보존(diboson) 탐색이 더 강력한 질량 배제를 제공한다.
  • $g_{KK}$ (스핀-1, 넓은 폭, $\Gamma/m = 30\%$): 질량 최대 4.1 TeV까지 배제되었으며, 이 벤치마크 모델에 대해 현재까지 가장 강력한 한계를 설정하였다.

의의
본 논문은 이러한 결과가 $t\bar{t}$ 쿼크 쌍으로 붕해하는 무거운 공명을 예측하는 광범위한 모델들에 대해 기존의 배제 한계를 강화한다고 주장한다. 완전 강립자 ATLAS 탐색이 4 TeV 이상의 $Z'_{TC2}$ 질량에 대해 여전히 더 높은 민감도를 유지하지만, 본 분석은 대안적인 붕해 채널에서 보완적인 민감도를 제공하며 $g_{KK}$ 및 $G_{KK}$ 신호에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약을 확립한다. 이경량자 채널의 포함과 전체 Run 2 데이터셋의 활용은 탑 쿼크 섹터에서의 새로운 물리학에 대한 포괄적인 탐색에서 중요한 진전을 의미한다.