Search for physics beyond the standard model in four and three top quark production events using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

기술 요약: 4개 및 3개 탑 쿼크 생성에서의 BSM 물리학 탐색

문제 및 동기
표준 모형(SM)에서 가장 무거운 기본 입자인 탑 쿼크는 전약작용 대칭성 깨짐을 이해하는 데 결정적인 역할을 한다. 다수의 탑 쿼크를 포함하는 희귀 생성 과정, 구체적으로 4개의 탑 쿼크 동시 생성($tttt$)과$W$보손 또는 경량 쿼크와 결합된 3개의 탑 쿼크($tttW$, $tttq$, 통칭$ttt$)는 표준 모형 너머의 물리학(BSM)에 대한 민감한 탐침 역할을 한다. 이러한 과정들은 초대칭성, 복합성(compositeness), 여분의 차원, 확장된 힉스 섹터, 그리고 암흑 물질 또는 액시온 유사 입자를 포함하는 모델 등 다양한 BSM 시나리오에서 강화될 것으로 예측된다. 또한, 탑 쿼크 유카와 결합(Yukawa coupling)의 변화와 탑 쿼크로 붕괴하는 무거운 공명 상태의 존재는 이러한 희귀 사건의 단면적과 운동학적 분포를 크게 변화시킬 수 있다. ATLAS 및 CMS 협력단에 의한 이전 분석들이 $tttt$ 생성을 관측한 바 있으나, 본 논문은 세 가지 특정 BSM 프레임워크인 표준 모형 유효장론(SMEFT), 좁은 폭의 토피릭(topphilic) 무거운 공명 상태 탐색, 그리고 탑 쿼크 유카와 결합의 CP 구조 추출 내에서 $tttt$및$ttt$ 데이터를 포괄적으로 해석하는 것을 목표로 한다.

방법론
본 분석은 2016–2018년 런 동안 $\sqrt{s} = 13$ TeV의 중심 질량 에너지에서 CMS 검출기에 의해 기록된 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용하며, 이는 $138 \text{ fb}^{-1}$의 적분 휘도를 갖는다.

• 사건 선택: 정확히 2개의 동일 부호, 3개 또는 4개의 타이트한 경전자(전자 또는 뮤온)를 요구하고, 추가적인 루즈한 경전자가 없으며, 적어도 하나 이상의 $b$-태그된 제트를 포함한 2개의 제트를 요구하는 사건을 선택한다. 선택은 제트의 수($N_j$), $b$-제트의 수($N_b$), 제트 횡운동량의 스칼라 합($H_T$), 그리고 $Z$ 보손 후보의 존재 여부에 따라 배타적 신호 영역(SR)과 제어 영역(CR)으로 분류된다.
• 신호 및 배경 모델링: $tttt$ 신호는 QCD의 차세대 선도 보정(NLO) 수준에서 시뮬레이션되는 반면, $ttt$생성은$tttt$와의 중복을 피하기 위해 다이어그램 제거 기법을 사용하여 NLO 수준에서 시뮬레이션된다. $ttZ$, $ttW$, $ttH$ 및 비프롬프트 경전자 소스를 포함한 배경 사건들은 시뮬레이션과 데이터 기반 방법(예: "tight-to-loose" 비율 방법)의 조합을 사용하여 추정된다.
• 구별: $tttt$신호, 연관 탑 생성($ttX$), 그리고$t\bar{t}$ 배경 사이를 구별하기 위해 다중 분류 부스트 결정 트리(BDT)가 사용된다.
• 피팅 전략: 특정 BSM 시나리오를 테스트함에 따라 BDT 점수 분포 또는 $H_T$ 분포에 대해 우도 피팅(Likelihood fit)이 수행된다. $H_T$ 분포는 고에너지 강화에 대한 민감도 때문에 SMEFT 및 공명 탐색에 활용되며, BDT 점수는 SM 단면적 측정 및 유카와 결합 추출에 사용된다. 휘도, 검출기 성능, 이론적 모델링(척도 변화, PDF)과 관련된 계통 불확실성은 섭잡수 매개변수(nuisance parameters)로서 포함된다.

주요 기여
본 연구는 세 가지 뚜렷한 BSM 시나리오에 대해 단일 분석 프레임워크 내에서 $tttt$및$ttt$ 생성 데이터를 동시에 해석한 첫 사례를 제시한다:

1. SMEFT 해석: 4-중량 쿼크 및 탑-힉스 상호작용을 수정하는 6개의 차원-6 윌슨 계수($c_{tt}$, $c^{(1)}_{QQ}$, $c^{(1)}_{Qt}$, $c^{(8)}_{Qt}$, $c^{\text{Re}}_{tH}$, $c^{\text{Im}}_{tH}$)에 대한 제약이 도출된다. 이는 $tttt$생성을 위해 최적화된 최초의$tttt$ 분석으로서 이 6개의 연산자를 동시에 고려한다.
2. 무거운 공명 탐색: 400 GeV에서 1.6 TeV 범위의 질량을 가진 6가지 단순화된 모델의 좁은 폭의 토피릭 무거운 공명 상태(색 단일 상태 및 색 옥텟 상태의 스칼라, 프서도스칼라, 벡터 보손)에 대한 배제 한계가 설정된다.
3. 유카와 결합 추출: 탑 쿼크 유카와 결합을 추출하며, 선형 SMEFT 근사를 넘어서는 효과를 포착하기 위해 4차 항을 포함하는 매개변수화를 사용하여 CP-짝수($\kappa_t$) 및 CP-홀수($\tilde{\kappa}_t$) 기여를 매개변수화한다.

결과

• SM 단면적: 측정된 $tttt$생성 단면적은$\sigma(tttt) = 18.9^{+4.4}_{-4.0}$ fb이며, 이는 약 1.3 표준 편차 내에서 SM 예측값인 $13.4^{+1.0}_{-1.8}$ fb와 일치한다. $tttt$와$ttt$단면적 사이에 강한 역상관 관계($\rho = -0.98$)가 관찰되었으며, 이는 실험적 분석이 가장 민감한 영역에서 두 과정을 구별할 수 없음을 확인해 준다.
• SMEFT 제약: 데이터는 SM 기대치(영의 윌슨 계수)와 통계적으로 호환된다. 본 분석은 $tttt$생성 분석으로부터 탑-힉스 윌슨 계수의 허수 부분($c^{\text{Im}}_{tH}$)에 대한 첫 번째 제약을 제공한다. 4-중량 쿼크 연산자에 대한 관측된 배제 구간은 이전의 CMS 다중 경전 EFT 측정보다 12–25% 더 엄격하며, ATLAS의 $tttt$ 단면적 측정보다 64–89% 더 엄격하다.
• 공명 배제: 유의미한 과잉은 관찰되지 않았다. 토피릭 공명과의 결합 강도에 대한 배제 한계가 질량의 함수로서 설정된다. 색 옥텟 모델의 경우, 1.4–1.6 TeV 미만의 질량에 대해 물리적 시나리오가 배제된다. 색 단일 모델의 경우, 한계가 일반적으로 더 약하며, 600–800 GeV 미만의 질량에 대해서만 물리적 배제가 이루어진다.
• 유카와 결합: 추출된 유카와 결합 수정치는 1 표준 편차 수준에서 SM 기대치($\kappa_t = 1, \tilde{\kappa}_t = 0$)와 일치한다. $|\kappa_t|$ (단, $\tilde{\kappa}_t=0$으로 고정)에 대한 관측된 95% 신뢰 구간은 $0.7 < |\kappa_t| < 1.4$이며, 이는 오직 $tttt$ 생성으로부터만 도출된 이전의 제약보다 현저히 엄격하다.

의의
본 논문은 $tttt$와$ttt$ 생성을 단일 신호 과정으로 동시에 취급함으로써 그 의의를 주장하며, 현재의 실험적 징후에서 두 과정의 구별 불가능성과 이들이 BSM 시나리오 하에서 유사한 수정 패턴을 가진다는 점을 인정한다. 최적화된 관측량($H_T$는 고에너지 민감도를 위해, BDT 점수는 순도를 위해)을 사용하고 통합 피팅 프레임워크를 채택함으로써, 본 분석은 개별 측정에 비해 SMEFT 연산자에 대한 개선된 제약을 달성한다. 본 연구는 $tttt$에 최적화된 분석에서 6개의 특정 윌슨 계수에 대한 첫 번째 동시 제약을 제공하고, 다중 탑 생성으로부터 도출된 탑 쿼크 유카와 결합에 대한 가장 엄격한 한계를 설정하는 동시에, 광범한 토피릭 무거운 공명 모델에 대한 배제 한계를 확립한다. 결과는 통계적으로 표준 모형과 일치하며, 이는 잠재적인 새로운 물리학을 위한 정밀한 경계를 설정하는 동시에 탑 쿼크 물리학에 대한 현재의 이해를 강화한다.