Search for nonresonant new physics signals in high-mass dilepton events produced in association with b-tagged jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Deze CMS-studie analyseert 138 fb⁻¹ aan proton-protonbotsingsdata bij 13 TeV op niet-resonante nieuwe fysica in hoge-massa dileptonen geassocieerd met b-gelabelde jets, waarbij geen afwijkingen van het Standaardmodel werden gevonden en er bovengrenzen werden gesteld aan de energie-schalen van effectieve veldentheorie-modellen.

De kern

Zoeken naar onzichtbare geesten in een storm van deeltjes: Een uitleg van het CMS-onderzoek

Stel je voor dat het Large Hadron Collider (LHC) bij CERN een gigantische, hyper-snelle racebaan is. Hier botsen twee protonen (deeltjes) met een snelheid die bijna die van het licht is, zodat ze als het ware in een mini-sterrenstelsel ontploffen. De CMS-detector is als een gigantische, ultra-snelle camera die elke seconde miljarden foto's maakt van deze ontploffingen.

Deze paper is het verslag van een zoektocht van de CMS-wetenschappers naar iets dat ze niet verwachten te vinden, maar wel hopen te zien: nieuwe natuurkunde.

Hier is hoe ze dat deden, vertaald in alledaags taal:

1. Het Doel: De "Geesten" vinden

De wetenschappers weten dat het Standaardmodel (de huidige "regels" van de deeltjeswereld) niet alles kan verklaren. Er zijn nog vragen over donkere materie en waarom het universum bestaat. Ze denken dat er op zeer hoge energieën (zoals in een mini-zonnestelsel) nieuwe deeltjes of krachten schuilen die we nog niet kennen.

Ze zoeken niet naar een nieuw deeltje dat als een trein op een spoor rijdt (dat zou een "resonantie" zijn), maar naar een subtiele verstoring.

• De Analogie: Stel je voor dat je in een drukke supermarkt loopt. Je ziet mensen (deeltjes) die normaal gedrag vertonen. Maar plotseling zie je twee mensen (elektronen of muonen) die samen met twee andere mensen (b-quarks, een zwaar type deeltje) een vreemde dans doen die niet in het handboek staat. Die "vreemde dans" is het bewijs van nieuwe natuurkunde.

2. De Methode: Het "B-Tag" Net

In deze zoektocht kijken ze specifiek naar gebeurtenissen waarbij er twee zware ladingen (elektronen of muonen) worden geproduceerd, samen met jets (stralen van deeltjes) die afkomstig zijn van b-quarks.

• Waarom b-quarks? Dit zijn de "zware broers" van de quarks. Net zoals je in de natuurkunde denkt dat de zwaarste deeltjes het meest gevoelig zijn voor nieuwe krachten, hopen ze dat deze zware b-quarks de sleutel zijn.
• Ze tellen hoeveel van deze "b-jets" er in de ontploffing zitten: 0, 1, of 2 of meer. Dit helpt hen om het ruis van de "normale" botsingen weg te filteren.

3. De Theorie: De "Contactkracht"

Omdat ze vermoeden dat de nieuwe deeltjes te zwaar zijn om direct te maken, gebruiken ze een wiskundig trucje genaamd Effectieve Veldtheorie (EFT).

• De Analogie: Stel je voor dat je twee mensen ziet die plotseling van richting veranderen zonder dat je ziet wie hen duwt. Je kunt niet zien wie ze duwt (het nieuwe deeltje), maar je ziet wel het effect van de duw. In de natuurkunde noemen we dit een "contactinteractie": alsof de deeltjes elkaar direct raken via een onzichtbare kracht, zonder dat er een tussenpersoon is.
• Ze kijken naar twee scenario's:
  1. bbℓℓ: Twee b-quarks en twee ladingen (elektronen/muonen) die samenwerken.
  2. bsℓℓ: Een b-quark verandert in een s-quark (een lichter broertje) terwijl hij twee ladingen uitspuugt. Dit is in het Standaardmodel bijna onmogelijk, tenzij er nieuwe natuurkunde tussenkomt.

4. De Jacht: Het Filteren van de Ruis

De echte uitdaging is dat de "normale" botsingen (het Standaardmodel) eruitzien als een enorme muur van ruis. Ze moeten die muur doorbreken om het zeldzame signaal te zien.

• De DNN (Deep Neural Network): Om dit te doen, hebben ze een kunstmatige intelligentie (een AI) getraind. Denk hierbij aan een zeer ervaren detective die duizenden foto's van normale ontploffingen heeft gezien. Deze AI leert het verschil tussen een "normale dans" en een "verdachte dans".
• Ze gebruiken deze AI om te filteren: "Alles wat eruitziet als een normale botsing, weg ermee. Alleen de rare dansen houden we."

5. De Resultaten: Geen Geesten Gevonden (Nog niet)

Na het analyseren van 138 biljoen botsingen (een enorme hoeveelheid data uit 2016-2018):

• Geen nieuwe deeltjes: Ze zagen geen enkele duidelijke "vreemde dans" die niet door het Standaardmodel kon worden verklaard.
• De Grenzen: Hoewel ze niets vonden, is dit wel een succes. Ze hebben nu bewezen dat als er nieuwe natuurkunde bestaat, deze niet kan bestaan onder een bepaalde energie-grens.
  • Voor het eerste model (bbℓℓ) weten ze nu: "Als er nieuwe krachten zijn, moeten ze zwaarder zijn dan 6,9 tot 9,0 TeV." (Dat is ongeveer 9000 keer zwaarder dan een proton!).
  • Voor het tweede model (bsℓℓ) is de grens 2,4 TeV.
• Universum van deeltjes: Ze keken ook of elektronen en muonen zich precies hetzelfde gedragen (lepton-flavor universality). Ze deden dit door te kijken of de "dans" voor elektronen anders was dan voor muonen. Het antwoord? Nee, ze gedragen zich identiek, precies zoals het Standaardmodel voorspelt.

Conclusie

Deze paper is als een zeer grondige inspectie van een huis. De onderzoekers hebben elke hoek en kier (de verschillende energieniveaus en deeltjescombinaties) gecontroleerd op inbrekers (nieuwe natuurkunde). Ze vonden geen inbrekers.

Maar dat is belangrijk! Het betekent dat als er een "inbreker" is, hij zich moet verstoppen in een gebied dat nog zwaarder en exotischer is dan we dachten. De zoektocht gaat door, maar nu weten we precies waar we niet hoeven te zoeken. De "nieuwe natuurkunde" moet nog dieper in de duisternis schuilen.

Technische samenvatting

Titel en Context

Titel: Zoektocht naar niet-resonante nieuwe-fysica signalen in hoog-massa dilepton-evenementen geproduceerd in associatie met b-getagde jets in proton-proton botsingen bij √s = 13 TeV.
Data: Geanalyseerde data uit de periode 2016–2018 (LHC Run 2), met een geïntegreerde lichtsterkte van 138 fb⁻¹.
Doel: Het testen van het Standaardmodel (SM) op schalen van enkele TeV door te zoeken naar afwijkingen in de productie van hoog-energetische leptonparen (elektronen of muonen) in combinatie met zware-flavor jets (b-quarks).

---

1. Het Probleem en de Motivatie

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica is succesvol maar onvolledig; het verklaart geen donkere materie, de materie-antimaterie-asymmetrie, het hiërarchieprobleem of de massa van neutrino's. Veel theorieën voorspellen nieuwe fysica (NP) op de multi-TeV schaal.

Eerdere zoektochten naar nieuwe fysica in hoog-massa dileptonkanalen concentreerden zich voornamelijk op inclusieve eindtoestanden (zonder specifieke selectie op b-jets). Echter, de derde generatie quarks (zoals de b-quark) is bij uitstek gevoelig voor nieuwe fysica, mede door aanwijzingen voor schending van leptonflavor-universaliteit in B-meson verval (bijv. $R(D^*)$).

Deze analyse is de eerste CMS-studie die specifiek zoekt naar niet-resonante productie van dileptonen in combinatie met b-getagde jets. Dit onderscheidt zich van eerdere resonante zoektochten (zoals naar een $Z'$ boson dat vervalt in $\mu\mu$ met b-jets) en richt zich op contactinteracties op deeltjesfysica-niveau.

---

2. Methodologie

Signalmodellen (EFT)

De analyse gebruikt Effectieve Veldtheorie (EFT) met dimensie-zes operatoren om nieuwe fysica te modelleren als contactinteracties (CI) tussen twee leptonen en twee quarks. Twee specifieke modellen worden getest:

1. $bb\ell\ell$-model: Een contactinteractie tussen een paar b-quarks en een paar geladen leptonen ($\ell = e, \mu$). Dit kan ontstaan door de uitwisseling van een zware $Z'$-boson of leptoquarks. De analyse target 0, 1 of $\ge$ 2 b-getagde jets in het eindtoestand, afhankelijk van hoeveel b-quarks uit de protonen komen.
2. $bs\ell\ell$-model: Een flavor-veranderende neutrale stroom (FCNC) overgang $b \to s\ell^+\ell^-$. In het SM is dit sterk onderdrukt (alleen via lussen), maar zou kunnen worden gemedieerd door nieuwe deeltjes met flavor-schennende koppelingen. Dit model target 0 of 1 b-getagde jet.

Data en Selectie

• Data: 138 fb⁻¹ bij 13 TeV.
• Leptonen: Geselecteerd op hoge transverse impuls ($p_T > 53$ GeV voor muonen, $p_T > 35$ GeV voor elektronen).
• Jets: Ge reconstrueerd met de anti-$k_T$ algoritme. b-jets worden geïdentificeerd met de DeepJet-algoritme.
  • Tight werkingspunt: ~50% efficiëntie, 0.1% misidentificatie voor lichte jets.
  • Relaxed werkingspunt: ~68% efficiëntie.
• Categorieën: Evenementen worden ingedeeld op basis van het aantal b-jets (0b, 1b, $\ge$2b) en de pseudorapidity van de leptonen (Barrel-Barrel, Barrel-Endcap).
• Achtergrondreductie: Voor de 1b en 2b kanalen is de dominante achtergrond $t\bar{t}$-productie. Een Deep Neural Network (DNN) is getraind om signalen van $t\bar{t}$ te onderscheiden op basis van kinematische variabelen (zoals $p_T$ van leptonen/jets, $p_T^{miss}$, en hoeken). Een DNN-score > 0.6 wordt vereist, wat 90% van de $t\bar{t}$-achtergrond verwijdert.

Achtergrondschatting

Achtergronden (voornamelijk Drell-Yan + jets en $t\bar{t}$) worden geschat via simulatie, gecorrigeerd met schalingsfactoren (SF) afgeleid uit controlegebieden (CR) in de data:

• $t\bar{t}$ CR: Gebruikt $e\mu$-paren om SF's te bepalen als functie van het aantal b-jets.
• DY CR: Gebruikt het massabereik rond de Z-piek (120–200 GeV) om DY+jet-simulatie te kalibreren.
• Fake-leptonen: Geschat met een "fake rate"-methode in multijet-gebieden.

Statistische Analyse

Een gelijktijdige maximum-likelihood fit wordt uitgevoerd over alle signalgebieden (SR) om de achtergrondnormalisatie te bepalen (met signaalsterkte vast op nul). 95% betrouwbaarheidsintervallen (CL) worden berekend met de CMS COMBINE-tool.

---

3. Belangrijkste Resultaten

Observaties

• Er is geen significant overschot waargenomen boven de voorspellingen van het Standaardmodel in de invariant-massaspectra ($m_{\ell\ell}$) voor geen enkele b-jet multipliciteit.
• Een lichte fluctuatie (< 2 standaardafwijkingen) werd gezien in het $ee$-kanaal bij massa's > 1.9 TeV, wat consistent is met eerdere metingen zonder b-jet-selectie.
• De waarnemingen zijn consistent met de achtergrondverwachtingen binnen de statistische en systematische onzekerheden.

Uitsluitingslimieten (Limits)

Omdat geen signaal werd gevonden, werden ondergrenzen gesteld op de parameters van de nieuwe fysica-modellen:

1. Voor het $bb\ell\ell$-model:

   • Er werden ondergrenzen gesteld op de energieschaal $\Lambda$.
   • Afhankelijk van de chirale structuur (LL, LR, RL, RR) en het type interferentie (constructief of destructief) met het SM, varieert de ondergrens voor $\Lambda$ tussen 6.9 en 9.0 TeV.
   • Dit zijn de eerste LHC-beperkingen voor dit specifieke model en vertegenwoordigen een aanzienlijke uitbreiding van de gevoeligheid ten opzichte van eerdere LEP-resultaten.

2. Voor het $bs\ell\ell$-model:

   • Er werden ondergrenzen gesteld op de verhouding tussen de energieschaal en de effectieve koppeling ($\Lambda/g^*$).
   • De waargenomen ondergrenzen variëren van 1.9 tot 2.6 TeV, afhankelijk van het kanaal en de combinatie van kanalen.
   • De gecombineerde limiet is 2.4 TeV.

3. Leptonflavor-universaliteit (LFU):

   • De ratio van de productiekruissecties voor $\mu\mu$ versus $ee$($R_{\mu\mu/ee}$) werd gemeten als functie van de invariant massa.
   • Na correctie voor detectoracceptatie en efficiëntieverschillen, werd geen significante afwijking van de SM-verwachting (een ratio van 1) gevonden. De waarnemingen zijn consistent met LFU.

---

4. Bijdragen en Betekenis

• Nieuw Zoekgebied: Dit is de eerste CMS-analyse die specifiek richt op niet-resonante nieuwe fysica in combinatie met b-jets. Dit opent een nieuw venster voor het testen van contactinteracties die eerder niet in deze specifieke configuratie waren onderzocht.
• Geavanceerde Achtergrondreductie: Het succesvol gebruik van een DNN om de dominante $t\bar{t}$-achtergrond in de 1b en 2b kanalen te onderdrukken, stelt de analyse in staat om zeer zeldzame signalen te isoleren in gebieden waar de achtergrond anders te hoog zou zijn.
• Verbeterde Beperkingen: De resultaten stellen de strengste limieten tot nu toe voor de $bb\ell\ell$-contactinteracties op de LHC, met limieten die aanzienlijk hoger liggen dan die van LEP.
• Validatie van het Standaardmodel: De analyse bevestigt opnieuw de geldigheid van het Standaardmodel op de TeV-schaal, zelfs in complexe eindtoestanden met zware quarks, en bevestigt leptonflavor-universaliteit binnen de meetnauwkeurigheid.
• Open Data: De tabellair resultaten zijn beschikbaar via HEPData, wat reproduceerbaarheid en verdere theoretische interpretatie mogelijk maakt.

Conclusie: De analyse levert geen bewijs voor nieuwe fysica in de onderzochte kanalen, maar stelt zeer strenge, nieuwe grenzen voor theoretische modellen die contactinteracties tussen b-quarks en leptonen voorspellen.