Search for pair production of heavy resonances in final states with a photon and large-radius jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Dit artikel presenteert een zoektocht naar de geproduceerde zware resonanties (t*) in proton-protonbotsingen bij 13 TeV met het CMS-detector, waarbij gebruik wordt gemaakt van data uit 2016-2018 om de t*t* → ttγg-kanalen te analyseren en voor het eerst uitsluitingslimieten te stellen op de massa van deze deeltjes zonder significante afwijkingen van de achtergrond te vinden.

De kern

De Grote Deeltjesspeurtocht: Een zoektocht naar de "Super-Tops" in de CERN-deeltjesversneller

Stel je voor dat het heelal een gigantisch, ingewikkeld legpuzzel is. De natuurkundigen van het CERN (in Zwitserland) proberen de laatste stukjes van deze puzzel te vinden. Ze weten dat er iets ontbreekt, iets dat de regels van ons universum beter kan verklaren dan de huidige theorieën.

In dit specifieke onderzoek hebben de wetenschappers van de CMS-experimenten (een enorme camera die deeltjes opneemt) een heel specifieke zoektocht gedaan. Ze zochten naar een nieuw, zwaar deeltje dat ze een "opgewonden topquark" noemen, ofwel een $t^*$.

Hier is hoe ze dat deden, vertaald naar begrijpelijke taal:

1. De Deeltjesversneller als een Super-Deensmoker

Stel je de deeltjesversneller (LHC) voor als een gigantische, superkrachtige deensmoker. Ze schieten twee bundels protonen (deeltjes) met bijna de lichtsnelheid op elkaar af. Als ze botsen, is het alsof je twee auto's met volle snelheid tegen elkaar rijdt: er vliegen overal brokstukken vandaan.

Meestal zijn dit de bekende deeltjes die we al kennen. Maar de wetenschappers hopen dat er soms een nieuw, zwaar deeltje uit die botsing komt. Dit nieuwe deeltje is als een "super-versie" van de topquark (het zwaarste deeltje dat we al kennen).

2. Het Spoor: Een Flits en een Zware Koffer

Hoe herken je zo'n nieuw deeltje? Het leeft niet lang genoeg om direct te zien. Het valt direct uit elkaar in andere deeltjes. De wetenschappers zochten naar een heel specifiek patroon, een soort "visueel vingerafdruk":

• Een felle flits (een foton): Dit is als een flits van een camera die heel helder is.
• Twee zware koffers (jets): De andere deeltjes die ontstaan, hopen zich samen op in grote, zware bundels die "jets" heten.

Het scenario dat ze zochten was: twee van die nieuwe super-deeltjes ($t^*$) ontstaan, en elk van hen valt direct uit elkaar in één foton en één zware jet.

3. De Uitdaging: De "Ruis" van de Wereld

Het probleem is dat de natuur vol zit met "ruis". Er gebeuren elke seconde miljarden botsingen die geen nieuwe deeltjes produceren, maar wel lijken op wat ze zochten.

• Het is alsof je in een drukke supermarkt probeert een heel specifiek, zeldzaam geluid te horen (zoals een fluitje van een bepaald toonhoogte), terwijl er overal mensen staan te praten, te rollen met karren en te lachen.
• De meeste botsingen zijn gewoon "normaal" gedrag van deeltjes. De wetenschappers moesten een manier vinden om die ene zeldzame "flits" uit de chaos te filteren.

4. De Slimme Camera: De "PartiNet"

Om die zeldzame signalen te vinden, gebruikten ze een heel slimme computerprogramma genaamd PARTICLENET.

• Stel je voor dat je een berg vuilnis hebt en je zoekt naar een specifiek soort afval (bijvoorbeeld een gebroken theepot). Een gewone persoon zou alles moeten bekijken.
• De "PartiNet" is als een robot met superogen die direct ziet: "Ah, deze hoop vuilnis heeft de vorm van een theepot!" en die direct apart zet.
• In dit geval leerde de computer de computer om de zware "koffers" (jets) te herkennen die van een topquark komen, en ze te onderscheiden van de gewone ruis.

5. De Resultaten: Niets gevonden, maar wel een grens getrokken

Na het analyseren van 138 biljoen botsingen (een enorm aantal data, verzameld tussen 2016 en 2018), was het nieuws: ze vonden niets.

• Er was geen enkel bewijs voor die "opgewonden topquarks".
• De data zag er precies uit zoals de wetenschappers verwachtten als er geen nieuwe deeltjes waren.

Maar wacht, is dit een mislukking?
Nee, integendeel! In de wetenschap is het vinden van "niets" ook een groot succes. Het betekent dat ze een grens hebben getrokken.

• Ze kunnen nu zeggen: "Als die deeltjes bestaan, moeten ze zwaarder zijn dan 930 GeV (voor de lichte versie) of 1330 GeV (voor de zware versie)."
• Het is alsof je zegt: "We hebben de hele zolder afgezocht en geen spook gevonden. Dus als er een spook is, moet het zich verstoppen in de kelder." Dit helpt andere wetenschappers om te weten waar ze niet meer hoeven te zoeken.

6. Waarom is dit belangrijk?

Hoewel ze het deeltje niet vonden, is deze zoektocht uniek omdat ze voor het eerst naar dit specifieke patroon (een foton + zware jets) keken.

• Het is alsof ze eerder alleen naar deuren keken om een dief te vinden, maar nu voor het eerst ook naar de ramen kijken.
• Zelfs als het deeltje niet bestaat, helpt deze methode om te bewijzen dat de huidige theorieën (het Standaardmodel) nog steeds sterk staan, of dat we nog dieper moeten graven voor nieuwe theorieën.

Kortom: De wetenschappers hebben met hun super-camera en slimme computers de hele deeltjeswereld afgezocht naar een nieuw, zwaar deeltje. Ze vonden het niet, maar ze hebben wel bewezen dat als het er is, het zwaarder moet zijn dan wat ze dachten. De zoektocht gaat door!

Technische samenvatting

Titel

Zoektocht naar de gepaarde productie van zware resonanties in eindtoestanden met een foton en grote straal-jets in proton-proton botsingen bij √s = 13 TeV.

1. Het Probleem en de Motivatie

Het Standaardmodel (SM) van de deeltjesfysica is succesvol, maar laat fundamentele vragen onbeantwoord, zoals de aard van donkere materie en het grote verschil in sterkte tussen de elektroweak kracht en de zwaartekracht. Theorieën "Beyond the Standard Model" (BSM), zoals die met extra ruimtelijke dimensies of samengestelde Higgs-scenario's, voorspellen vaak dat de top-quark geëxciteerde toestanden ($t^*$) of vector-achtige partnerdeeltjes kan hebben.

Hoewel de dominante vervalkanalen voor een top-quark partner ($T$) vaak $T \to bW$, $T \to tZ$ en $T \to tH$ zijn, kunnen deze onderdrukt worden als de mengingshoek klein is. In dat geval kunnen lus-geïnduceerde vervallen zoals $T \to tg$ en $T \to t\gamma$ dominant worden. Dit paper richt zich specifiek op geëxciteerde top-quarks ($t^*$) met spin 1/2 of 3/2.

• Het uitdaging: De verwachte vertakkingsverhouding (branching fraction) voor $t^* \to t\gamma$ is klein (ongeveer 3%) vergeleken met $t^* \to tg$ (ongeveer 97%).
• De kans: Ondanks het kleine signaal, biedt het kanaal met een foton ($tt\gamma g$) een potentieel vergelijkbare gevoeligheid als het kanaal met twee gluonen ($ttgg$), omdat de achtergronden met een foton-signatuur aanzienlijk kleiner zijn.

2. Methodologie

Data en Detector:

• Data: Gebruik gemaakt van data verzameld door de CMS-detector bij de LHC (CERN) tussen 2016 en 2018, met een geïntegreerde luminositeit van 138 fb$^{-1}$ bij een botsingsenergie van 13 TeV.
• Trigger: Selectie gebeurtenissen met een hoge $p_T$-foton (drempels: 175 GeV in 2016, 200 GeV in 2017/2018).

Signaal en Achtergronden:

• Signaal: Gepaarde productie van $t^*$ deeltjes ($pp \to t^*t^*$), waarbij de ene $t^*$ vervalt in $t\gamma$ en de andere in $tg$.
• Reconstructie: Vanwege de hoge massa van de $t^*$ (700 GeV tot 3 TeV) worden de vervalproducten (top-quark en gluon) sterk gelorentz-versterkt. De top-quark vervalproducten (hadronisch) worden samengevoegd tot één grote straal-jet (AK8 jet).
• Selectiecriteria:
  • Precies één geïsoleerd foton in het barrelgedeelte ($|\eta| < 1.44$) met $p_T > 240$ GeV.
  • Minimaal twee AK8-jets met $p_T > 300$ GeV en $|\eta| < 2.4$.
  • Eén van de jets moet als top-quark-jet ("t-tagged") worden geïdentificeerd met een massa tussen 125 en 225 GeV.
  • Geen geïsoleerde elektronen of muonen (om achtergronden te reduceren).
• Machine Learning: Gebruik van de PARTICLENET tagger (een grafische neurale netwerk) om AK8-jets te identificeren die afkomstig zijn van top-quarks. Dit levert een hoge efficiëntie (82%) op bij een lage misidentificatiekans (0,1%).

Achtergrondschatting:
De belangrijkste achtergronden zijn:

1. $\gamma$+jets: Een foton geproduceerd in combinatie met jets. Omdat simulaties de "mistag-rate" (de kans dat een niet-top jet als top wordt gemist) niet perfect nabootsen, wordt deze achtergrond geschat uit data in een "Application Region" (AR) zonder t-tagged jets.
2. $tt\gamma$: Top-quark paren met een foton.
3. Misidentificaties: Hadronen ($h \to \gamma$) of elektronen ($e \to \gamma$) die als foton worden gemist. Deze worden ook geschat uit data met behulp van de "ABCD-methode" en misidentificatie-rates.

Statistische Analyse:
De analyse zoekt naar een piek in de gereconstrueerde massa van het $t^*$-kandidaat ($m_{\gamma j_1}$), gevormd door het foton en de t-tagged jet. Een maximum-likelihood fit wordt uitgevoerd op de massa-verdeling in het Signal Region (SR) en een Validatie Region (VR1).

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste Zoektocht: Dit is de eerste zoektocht bij de LHC naar gepaarde productie van zware resonanties in het specifieke kanaal $pp \to t^*t^* \to tt\gamma g$.
2. Geavanceerde Technieken: Toepassing van state-of-the-art jet-substructuurtechnieken en deep learning (PARTICLENET) om gelorentz-versterkte top-quarks te identificeren in een omgeving met hoge achtergronden.
3. Data-gedreven Achtergronden: Een robuuste strategie om de dominante $\gamma$+jets achtergrond direct uit data te schatten, wat de afhankelijkheid van onnauwkeurige simulaties voor deze specifieke achtergrond minimaliseert.
4. Competitieve Gevoeligheid: Het bewijzen dat het $tt\gamma g$ kanaal, ondanks het kleine vertakkingsverhouding van $t^* \to t\gamma$, competitieve limieten kan stellen voor spin-1/2 deeltjes ten opzichte van het veel grotere $ttgg$ kanaal, dankzij de onderdrukking van achtergronden door het foton.

4. Resultaten

• Signaal: Er werd geen significante afwijking gevonden van de achtergrond-only hypothese. De data vertonen een lichte afwijking bij hoge massa's met een lokale significantie van ongeveer 2,5 standaardafwijkingen, maar dit is niet voldoende om een ontdekking te claimen.
• Uitsluitingslimieten (95% CL): Er zijn bovenlimieten gesteld op het product van het productie-kruissectie en de vertakkingsverhouding. De volgende massa's worden uitgesloten:
  • Spin-1/2 $t^*$: Massa's onder 930 GeV (zowel waargenomen als verwacht).
  • Spin-3/2 $t^*$: Massa's onder 1330 GeV (waargenomen) en 1390 GeV (verwacht).
• Vergelijking: De limieten voor spin-1/2 $t^*$ in dit kanaal zijn vergelijkbaar met de eerdere limieten van het $ttgg$ kanaal (1050 GeV), ondanks het veel kleinere signaal. Voor spin-3/2 is de limiet lager dan die van $ttgg$ (1700 GeV), wat te wijten is aan de lagere productie-kruissectie en het kleinere signaal.

5. Betekenis

Deze analyse markeert een belangrijke stap in het onderzoeken van nieuwe fysica rondom de top-quark. Het demonstreert dat kanalen met een foton, hoewel ze een klein vertakkingsverhouding hebben, waardevol zijn voor het uitsluiten van nieuwe zware deeltjes vanwege de schone signatuur en lage achtergronden. De resultaten sluiten een breed scala aan massa's uit voor geëxciteerde top-quarks en vector-achtige partners, en bieden een solide basis voor toekomstige zoektochten met meer data (Run 3 en HL-LHC). De gebruikte methoden voor data-gedreven achtergrondschatting en machine learning tagging zijn van cruciaal belang voor de toekomstige precisie van deeltjesfysica.