Search for new particles decaying into top quark-antiquark pairs in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Dit artikel presenteert de meest strikte grenzen tot nu toe voor nieuwe deeltjes die vervallen in top-quark-antiquarkparen, gebaseerd op een analyse van 138 fb⁻¹ aan proton-protonbotsingsdata bij 13 TeV die door de CMS-detector is verzameld.

De kern

De Grote Top-Quark Jacht: Een Verhaal over het CMS-team

Stel je voor dat het Large Hadron Collider (LHC) bij CERN een gigantische, supersnelle auto-ronde is. Twee protonen (de auto's) botsen tegen elkaar met een snelheid die bijna die van het licht is. Bij elke botsing ontstaan er duizenden deeltjes, net als scherven van een kapotte vaas die in alle richtingen vliegen. De meeste scherven zijn gewone, saaie stukjes (zoals de deeltjes die we al kennen), maar soms, heel zelden, ontstaat er iets heel speciaals: een top-quark.

De top-quark is de "zwaarste" deeltjesfamilie die we kennen. Hij is zo zwaar dat hij zich gedraagt als een zware olifant in een poppenkast. Omdat hij zo zwaar is, denkt men dat hij misschien een speciale sleutelrol speelt in het universum, misschien zelfs de sleutel tot vragen die we nog niet kunnen beantwoorden.

Het Doel van dit Onderzoek
Het CMS-team (een groep duizenden wetenschappers) heeft een nieuwe zoektocht gestart. Ze kijken niet alleen naar de gewone botsingen, maar zoeken naar nieuwe, onbekende deeltjes die misschien bestaan en die direct uit elkaar spatten in een paar top-quarks.

Het is alsof je in een grote zaal staat waar duizenden mensen praten. Je luistert naar het geluid van de menigte (de gewone botsingen), maar je zoekt naar een specifiek geluid: een fluitje dat een heel ander toonhoogte heeft dan de rest. Als je dat fluitje hoort, betekent dat dat er iets nieuws in de zaal is.

Hoe hebben ze gezocht?
Ze hebben gekeken naar de data van 2016 tot 2018. Dat is een enorme hoeveelheid informatie, net als het bekijken van elke seconde van een film die 138 jaar lang is opgenomen. Ze hebben drie verschillende manieren gebruikt om te kijken, afhankelijk van hoe de top-quarks "vervalsen" (veranderen in andere deeltjes):

1. De "Alles-Hadronische" Manier (0ℓ): Stel je voor dat de top-quarks volledig in een puinhoop van andere deeltjes veranderen. Dit is het moeilijkst te zien, want het lijkt veel op de normale chaos. Hier gebruikten ze een super-slimme computer (een AI genaamd DEEPAK8). Deze AI is getraind om te herkennen of een grote klomp deeltjes eigenlijk een "verpletterde" top-quark is, net zoals een expert een echte diamant herkent tussen een berg glas.
2. De "Eén-Lepton" Manier (1ℓ): Hier heeft één van de top-quarks een "elektron" of "muon" (een soort zware elektron) uitgestoten. Dit is makkelijker te zien, want die deeltjes springen eruit als een vuurpijl. Ze gebruikten hier ook de slimme AI en een nieuwe manier om de achtergrondruis (de gewone botsingen) weg te filteren.
3. De "Twee-Lepton" Manier (2ℓ): Hier hebben beide top-quarks een zwaar elektron of muon uitgestoten. Omdat er ook twee onzichtbare deeltjes (neutrino's) zijn die we niet kunnen zien, is het lastig om precies te weten hoeveel energie er was. Daarom keken ze niet naar de totale massa, maar naar de "energie-som" van alles wat ze wel zagen.

Wat vonden ze?
Helaas (of gelukkig, afhankelijk van hoe je het bekijkt): Ze vonden geen nieuwe deeltjes.

Er was geen mysterieus fluitje in de zaal. Alles wat ze zagen, paste perfect bij wat we al wisten over de natuurwetten (het Standaardmodel).

Maar dit betekent niet dat het onderzoek mislukt is. Integendeel! Omdat ze niets vonden, kunnen ze zeggen: "Als er een nieuw deeltje bestaat, moet het zwaarder zijn dan X, of het moet heel anders gedragen zijn dan we dachten."

Ze hebben een lijst gemaakt van wat niet kan bestaan:

• Geen zware "Z'-deeltjes" (een soort zwaarder broertje van het foton) tot aan een massa van 7,4 TeV.
• Geen "Kaluza-Klein gluonen" (deeltjes uit een theorie met extra dimensies) tot 5,5 TeV.
• Geen "donkere materie-mediators" tot 4,2 TeV.

De Metafoor van de Netten
Je kunt dit zien als het uitzetten van steeds grotere en sterkere netten in de oceaan.

• Vroeger hadden we kleine netten en vingen we alleen kleine vissen (de bekende deeltjes).
• Nu hebben we enorme, sterke netten uitgeworpen (de nieuwe analyse met 138 fb⁻¹ data).
• We hebben geen nieuwe, grote zee-monsters gevangen.
• Maar door te zeggen: "We hebben niets gevangen tot diep in de oceaan," weten we nu dat er geen monsters zijn in dat gebied. We hebben de "veilige zone" voor nieuwe theorieën enorm vergroot.

Conclusie
Het team heeft laten zien dat hun nieuwe methoden (zoals de slimme AI en de betere filters) veel scherper zijn dan voorheen. Ze hebben de grenzen van wat we weten verlegd. Hoewel ze geen "nieuwe wereld" hebben gevonden, hebben ze wel bewezen dat de oude theorieën nog steeds heel sterk staan. En in de wetenschap is het weten wat er niet is, net zo belangrijk als het vinden van wat er wel is.

Kortom: Ze hebben de hele zaal grondig afgezocht, geen nieuwe gasten gevonden, en kunnen nu met zekerheid zeggen: "Tot nu toe is het hier nog steeds rustig."

Technische samenvatting

Titel en Context

Titel: Zoeken naar nieuwe deeltjes die vervallen in top-quark-antiquarkparen in proton-protonbotsingen bij √s = 13 TeV.
Organisatie: CERN (CMS Collaboration).
Data: Geanalyseerde data uit de periode 2016–2018, overeenkomend met een geïntegreerde luminositeit van 138 fb⁻¹.
Doel: Het uitvoeren van een modelonafhankelijke zoektocht naar nieuwe zware resonanties (of niet-resonante effecten) die vervallen in een paar top-quarks ($t\bar{t}$).

---

1. Het Probleem en Motivatie

De top-quark is het zwaarst bekende fermion en heeft een sterke koppeling aan het Higgs-veld. Dit maakt het een ideaal kanaal om fysica buiten het Standaardmodel (BSM) te onderzoeken.

• Motivatie: Veel BSM-theorieën voorspellen de productie van zware deeltjes die vervallen in $t\bar{t}$-paren. Voorbeelden zijn zware $Z'$-bosonen, axigluonen, Kaluza-Klein (KK) gluonen in Randall-Sundrum-modellen, en mediators voor donkere materie.
• Uitdaging: De achtergrond van $t\bar{t}$-productie volgens het Standaardmodel is enorm. Het detecteren van een klein signaal vereist geavanceerde selectiecriteria, nauwkeurige achtergrondschattingen en het kunnen onderscheiden van verschillende vervalkanalen (geen, één of twee leptonen).
• Specifiek doel: Deze analyse optimaliseert de gevoeligheid voor zowel resonante als niet-resonante BSM-signalen in een massabereik dat hoger ligt dan eerdere zoektochten naar toponium-achtige toestanden (boven 0,4 TeV).

---

2. Methodologie

De analyse omvat alle vervalkanalen van het $t\bar{t}$-paar, verdeeld in drie hoofdkanalen gebaseerd op het aantal geladen leptonen (elektronen of muonen) in het eindtoestand:

A. Kanalen en Selectie

1. All-hadronisch kanaal (0ℓ): Beide top-quarks vervallen hadronisch.

   • Techniek: Gebruik van een Deep Neural Network (DNN) genaamd DEEPAK8 om "boosted" top-quarks te identificeren binnen grote straal-jets (AK8).
   • Achtergrondschatting: Een innovatieve 2D-fit (likelihood) op de jetmassa ($m_t$) en de $t\bar{t}$-invariante massa ($m_{tt}$). Dit gebruikt zijbanden (sidebands) en "fail"-regio's om de QCD-multijet-achtergrond direct uit de data te schatten, zonder volledig te vertrouwen op simulatie.
   • Categorisatie: Gesplitst in "centraal" en "voorwaarts" gebaseerd op de rapiditeit van de leidende jet.

2. Single-lepton kanaal (1ℓ): Eén top hadronisch, één semileptonisch.

   • Verbeteringen t.o.v. eerdere analyses: Lagere drempels voor lepton $p_T$ en missing transverse momentum ($p_T^{miss}$).
   • Techniek: Gebruik van DEEPAK8 voor het hadronische deel en een tweede DNN voor het classificeren van gebeurtenissen (onderscheid tussen $t\bar{t}$, single-top en V+jets achtergronden).
   • Spin-correlatie: Gebruik van de variabele $\cos(\theta^*)$ (hoek tussen de top-quark momentum in het $t\bar{t}$-ruststelsel en het stelsel in het lab) om spin-0 signalen (zoals Higgs) beter te onderscheiden van de achtergrond.
   • Topologie: Gesplitst in "resolved" (losse jets) en "merged" (geclusterde jets).

3. Dilepton kanaal (2ℓ): Beide top-quarks vervallen semileptonisch.

   • Techniek: Gebruik van de variabele $S_T$ (som van transversale impulsen) in plaats van $m_{tt}$, omdat de reconstructie van $m_{tt}$ moeilijk is door twee neutrino's.
   • Categorisatie: Gebaseerd op de som van de hoekafstanden ($\Delta R_{sum}$) tussen leptonen en de dichtstbijzijnde jets om "resolved" en "merged" topologieën te scheiden.

B. Statistische Analyse

• Een binned maximum likelihood fit wordt simultaan uitgevoerd over alle signal- en control-regio's.
• Nuisance parameters: Systematische onzekerheden (zoals jet-energieschaal, luminositeit, b-tagging efficiëntie) worden geïntegreerd in de fit.
• Limiten: Bepaald met de CLs-methode (modificatie van de frequentistische benadering) met een profiel-likelihood ratio als teststatistiek.

---

3. Belangrijkste Bijdragen en Innovaties

• Geavanceerde Machine Learning: Implementatie van DEEPAK8 voor het taggen van boostede top-quarks en DNN's voor achtergrondonderdrukking en categorisatie.
• Data-gedreven Achtergrondschatting: In het all-hadronische kanaal wordt de dominante QCD-achtergrond geschat via een 2D-fit op data, wat de afhankelijkheid van onnauwkeurige simulaties van complexe QCD-processen elimineert.
• Uitgebreide Dekking: De analyse combineert voor het eerst alle drie de kanalen (0ℓ, 1ℓ, 2ℓ) met geoptimaliseerde selecties voor zowel "resolved" als "merged" topologieën, wat de gevoeligheid voor een breed massabereik vergroot.
• Spin-gevoeligheid: In het single-lepton kanaal wordt expliciet gebruikgemaakt van spin-correlatievariabelen om onderscheid te maken tussen spin-1 (vector) en spin-0 (scalar/pseudoscalar) resonanties.

---

4. Resultaten

Er werd geen significant afwijking van het Standaardmodel gevonden. De data is consistent met de achtergrondverwachtingen. Er werden echter uitsluitingsgrenzen (exclusion limits) bepaald bij een betrouwbaarheidsniveau van 95% (CL):

• Z' Bosonen (Leptofobisch Topcolor Model):
  • Uitgesloten voor massa's tussen 0,4 – 4,8 TeV (breedte 1%).
  • Uitgesloten voor massa's tussen 0,4 – 6,2 TeV (breedte 10%).
  • Uitgesloten voor massa's tussen 0,4 – 7,4 TeV (breedte 30%).
• Kaluza-Klein Gluonen (Randall-Sundrum Model):
  • Uitgesloten voor massa's tussen 0,5 – 5,5 TeV.
• Donkere Materie Mediators:
  • Uitgesloten voor massa's tussen 1,0 – 4,2 TeV.
• Twee-Higgs-Doublet Modellen (2HDM):
  • Er werden bovengrenzen gesteld aan de koppelingssterkte-modifier ($g_{\Phi tt}$) voor scalaire ($H$) en pseudoscalaire ($A$) Higgs-bosonen in het massabereik 0,5 – 1,0 TeV voor relatieve breedtes van 2,5%, 10% en 25%.

Onzekerheidsanalyse: De statistische onzekerheid is de dominante factor (60% van de variantie). De grootste systematische bijdrage komt voort uit de modellering van de $t\bar{t}$-achtergrond (productie-snelheid en vorm).

---

5. Betekenis en Conclusie

• State-of-the-art: Deze resultaten stellen de strengste grenzen tot nu toe voor de onderzochte modellen in het $t\bar{t}$-eindtoestand.
• Complementariteit: De analyse vult eerdere zoektochten aan door een groter massabereik te bestrijken en door specifiek gevoelig te zijn voor niet-resonante effecten en brede resonanties.
• Toekomst: De gebruikte methoden (vooral de 2D-fit en DNN's) vormen een blauwdruk voor toekomstige analyses bij hogere luminositeiten (Run 3 en HL-LHC). De analyse bevestigt dat het Standaardmodel de waarnemingen tot aan de huidige energie- en intensiteitsgrenzen goed beschrijft, maar de zoektocht naar nieuwe fysica in het top-quark-sectoren blijft een prioriteit.

De paper is ingediend bij het Journal of High Energy Physics (JHEP) en de numerieke resultaten zijn beschikbaar via HEPData.