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

Technische Samenvatting: Zoektocht naar de enkelvoudige productie van een vector-achtige T-quark die vervalt naar een topquark en een neutrale scalaire bosont

Probleem en Motivatie
Dit artikel presenteert een zoektocht naar de enkelvoudige productie van een vector-achtige quark (VLQ) met een lading van $2e/3$, aangeduid als $T$, die vervalt naar een topquark ($t$) en een neutraal scalaire bos ($\phi$). Het scalaire bos wordt beschouwd als ofwel het deeltje van het Standaardmodel (SM) Higgs-boson ($H$), ofwel een nieuw deeltje buiten het Standaardmodel ($\phi$). Hoewel precisie-metingen de existentie van een vierde generatie chirale quarks beperken, blijven vector-achtige quarks een levensvatbare voorspelling van diverse uitbreidingen van het Standaardmodel die het hiërarchieprobleem adresseren. In tegen tegenstelling tot chirale quarks verkrijgen VLQ's hun massa onafhankelijk van Yukawa-koppelingen. Eerdere zoektochten hebben zich grotendeels gericht op paarproductie of enkelvoudige productie in vervalstromen die betrokken zijn bij $Wb$, $Zt$, of $tH$ (waarbij $H \to$ diphotonen of volledig hadronisch). Deze analyse richt zich op de specifieke vervaltopologie $T \to t\phi$ (waarbij $\phi \to b\bar{b}$) in de lepton+jets eindtoestand, een kanaal dat voorheen niet onderzocht was voor de enkelvoudige $T$-productie naar een nieuwe neutrale scaler.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsdata bij een middencentrum van de energie van $\sqrt{s} = 13$ TeV, verzameld door het CMS-experiment tijdens 2016–2018, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 138 fb$^{-1}$.

• Signaaltopologie: Het signaal wordt gekenmerkt door een enkele $T$-quark die geproduceerd wordt in associatie met een bottomquark ($bTq$ productie). De $T$ vervalt naar $t\phi$, waarbij de topquark leptonisch vervalt ($t \to Wb \to \ell\nu b$) en het scalaire bos vervalt naar een bottom-antibottom paar ($\phi \to b\bar{b}$). De eindtoestand bestaat uit één geïsoleerd lepton ($e$ of $\mu$), ontbrekende transversale momentum ($p_T^{miss}$), en meerdere jets, inclusche een forward light-flavor jet en een geboste (boosted) $b\bar{b}$ structuur.
• Event Reconstructie:
  • Scalair Boson ($\phi$): Gereconstrueerd als een large-radius jet (AK8, $R=0.8$) met $p_T > 500$ GeV. Een massadegecorreleerd (MD) deep neural network, PARTICLENET-MD, wordt ingezet om jets te taggen die afkomstig zijn van $X \to b\bar{b}$ vervallen ($Xbb$ tagger).
  • Topquark: Gereconstrueerd vanuit een lepton, een AK4 jet, en $p_T^{miss}$. Een machine-learning benadering met behulp van een multiclass Boosted Decision Tree (BDT) is ontwikkeld om echte topquark-kandidaten ($t_{true}$) te onderscheiden van combinatorische achtergrond ($t_{QCD}$ en $t_{oth}$). Er zijn aparte BDT's getraind voor gemerged en resolved configuraties, lepton-flavors, en $p_T$-bereiken.
• Event Categorisatie: Geselecteerde events worden geclassificeerd in wederzijds uitsluitende regio's op basis van de kwaliteit van de topquark- en $Xbb$ tagging:
  • Signaalregio's (SRs): Events met strakke top-tagging (TopT) en strakke $Xbb$ tagging (XbbT), of losse top-tagging (TopL) en strakke $Xbb$ tagging.
  • Validatieregio's (VRs): Gebruikt om de overeenstemming tussen data en achtergrond te verifiëren (bijv. TopT/XbbL, TopL/XbbL).
  • Controle-regio's (CRs): Gebruikt om tagging-efficiënties en mistag-ratio's te kalibreren (bijv. TopT/XbbV, LepT/XbbT).
• Statistische Analyse: Een simultane maximum likelihood fit wordt uitgevoerd op de invariante massaverdeling van de gereconstrueerde $T$-quark kandidaat ($M_{\ell\nu bJ}$) over de SR's en VR's. Systematische onzekerheden (theoretisch en experimenteel) worden behandeld als nuisance parameters. De $CL_s$ methode wordt gebruikt om bovengrenzen vast te stellen.

Belangrijkste Bijdragen

• Nieuw Vervalkanaal: Dit werk biedt de eerste uitsluitingslimieten op de enkelvoudige productie van een $T$-quark die vervalt naar een topquark en een nieuwe neutrale scalaire bos ($T \to t\phi$).
• Geoptimaliseerde Reconstructie: De analyse introduceert een gespecialiseerd machine-learning-gebaseerd topquark-tagging algoritme (BDT) dat geoptimaliseerd is voor geboste topologieën, wat de identificatie-efficiëntie aanzienlijk verbetert ten opzichte van cut-gebaseerde methoden (ongeveer 30% relatieve verbetering bij een 6% achtergrond misidentificatie).
• Uitgebreide Massascan: De zoektocht dekt een breed bereik van $T$-quark massa's (1.3–3.0 TeV) en scalaire bos massa's (25–250 GeV).
• SM Higgs Interpretatie: De analyse interpreteert ook de resultaten voor het $T \to tH$ kanaal, waarmee geactualiseerde beperkingen worden gegeven voor deze specifieke vervalmodus.

Resultaten
Er werd geen significante overmaat aan events waargenomen ten opzichte van de verwachte Standard Model achtergrond. Bijgevolg zijn 95% CL bovengrenzen vastgesteld op het product van de productiedoorsnede en de vertakkingsfractie ($\sigma \times \mathcal{B}$).

• $T \to t\phi$ Kanaal: Voor een nieuwe scalaire bos $\phi$, variëren de geobserveerde limieten op $\sigma \times \mathcal{B}(T \to t\phi \to t b\bar{b})$ tussen 14.7 fb en 0.1 fb voor $T$ massa's tussen 1.3 en 3.0 TeV, afhankelijk van de $\phi$ massa. Specifiek, voor $m_\phi = 25$ GeV, zijn waarden groter dan 2.3 tot 0.1 fb uitgesloten voor $m_T \in [1.0, 3.0]$ TeV. Voor $m_\phi = 250$ GeV, zijn waarden groter dan 14.7 tot 0.3 fb uitgesloten voor $m_T \in [1.3, 3.0]$ TeV.
• $T \to tH$ Kanaal: Voor het verval naar het SM Higgs-boson, zijn waarden groter dan 100 tot 1.0 fb uitgesloten bij 95% CL voor $m_T$ tussen 1.0 en 3.0 TeV.

Significantie
Het artikel beweert dat deze resultaten de eerste uitsluitingslimieten vertegenwoordigen op de productie van een enkelvoudige $T$-quark die vervalt naar een topquark en een nieuwe neutrale scalaire bos. Bovendien, voor het $T \to tH$ vervalkanaal, biedt de analyse de beste limieten op productiedoorsneden tot nu toe voor $T$-quark massa's boven 2 TeV. De resultaten verbeteren alle voorgaande CMS-zoektochten naar enkelvoudige $T$-productie in het $tH$ kanaal voor $m_T \ge 1.3$ TeV. De analyse demonstreert een bijzondere gevoeligheid voor grote Lorentz-boosts van de vervalproducten, wat het effectief maakt voor hoog-massieve $T$-quark scenario's.