Search for resonances in four top quark events in the 2 lepton final state

Dit artikel presenteert een eerste zoektocht naar BSM-resonanties in vier-topquark-productie in het 2-lepton-kanaal met ATLAS-data, waarbij geen significante excessen werden gevonden en uitsluitingslimieten werden gesteld voor diverse mediators zoals Z'-bosonen.

De kern

De Grote Zoektocht naar het "Vierde Topje"

Stel je voor dat het CERN (waar deeltjesversnellers staan) een enorme, supersnelle racebaan is. Hier botsen protonen (deeltjes) met elkaar, alsof twee auto's met de snelheid van het licht tegen elkaar aanrijden. Bij deze botsingen ontstaan er vaak nieuwe, zeldzame deeltjes.

De wetenschappers van de CMS-collaboratie (een groep onderzoekers) hebben zich gericht op een heel specifiek, zeldzaam fenomeen: de productie van vier top-quarks tegelijkertijd. De "top-quark" is het zwaarste deeltje in het Standaardmodel (de "regels" van de natuurkunde die we tot nu toe kennen). Het is als het zwaarste stukje Lego dat je kunt vinden.

Waarom zijn ze hier naar op zoek?

Tot nu toe hebben we vier top-quarks al eens gezien, maar er was iets raars aan de hand: er werden er meer geproduceerd dan de theorie voorspelde.

• De analogie: Stel je voor dat je een fabriek hebt die precies 100 auto's per uur moet maken. Maar plotseling zie je er 120 voorbijkomen.
• De vraag: Waar komen die extra 20 vandaan? Misschien is er een onbekende "tussenpersoon" (een nieuw deeltje) die de productie stimuleert. In de natuurkunde noemen we dit BSM (Beyond the Standard Model).

De onderzoekers vermoeden dat er nieuwe, zware deeltjes zijn (zoals een Z'-boson, een scalar of een axion-achtig deeltje) die als een magneet werken en vier top-quarks tegelijk laten ontstaan.

Hoe hebben ze gezocht? (De Detectie)

Ze keken naar data van de afgelopen jaren, inclusief de allerlaatste data (tot 13,6 TeV energie). Ze richtten zich op een specifieke "handtekening" in de botsingen:

1. Twee leptonen: Ze zochten naar botsingen waarbij twee lichte deeltjes (zoals elektronen of muonen) vrijkwamen. Dit helpt om de "ruis" van de normale botsingen weg te filteren.
2. Twee zware klonten: De andere twee top-quarks vervallen in een stortvloed van andere deeltjes. In plaats van die honderden losse deeltjes één voor één te tellen, groepeerden de onderzoekers ze in twee grote "klonten" (jets).

De nieuwe truc:
Vroeger gebruikten ze vaste netten om deze klonten te vangen. Maar als de deeltjes niet snel genoeg zijn, vallen ze door het net. De onderzoekers hebben een slim, adaptief net ontwikkeld (een "BDT-top-tagger" met variabele straal).

• Vergelijking: Stel je voor dat je vis vangt. Een oud net heeft vaste gaten. Als de vis te klein is, zwemt hij erdoorheen; als hij te groot is, blijft hij steken. Het nieuwe net past zijn gaten automatisch aan de grootte van de vis aan. Hierdoor vingen ze veel meer van de zeldzame "vis" (het signaal) die ze zochten.

Wat vonden ze?

Na het analyseren van duizenden botsingen (ongeveer 173 "fb" aan data, wat neerkomt op een enorme hoeveelheid informatie), was het antwoord: Geen enkel bewijs voor nieuwe deeltjes.

• De analogie: Ze keken naar de 120 auto's die de fabriek verlieten, hoopten dat 20 daarvan van een onbekend merk waren, maar bleken allemaal van hetzelfde oude model te zijn. Er was geen "extra" productie.
• Ze zagen wel een heel klein, statistisch onbelangrijk piekje (een "fluctuatie"), maar dat was waarschijnlijk gewoon toeval, net als dat je soms een keer drie keer achter elkaar een zes gooit met een dobbelsteen.

Wat betekent dit nu? (De Grenzen)

Omdat ze niets vonden, kunnen ze wel zeggen wat er niet is. Ze hebben een "verbodsbord" opgehangen voor bepaalde nieuwe deeltjes.

• Ze zeggen: "Als er een Z'-deeltje bestaat dat 50% van de tijd vervalt, dan kan het niet lichter zijn dan 850 GeV."
• Vergelijking: Het is alsof ze zeggen: "Er is geen spook in dit huis, tenzij het zwaarder is dan een olifant." Als het spook lichter is, zouden we het al hebben gezien.

Conclusie

Dit onderzoek was de eerste keer dat men zocht naar deze vier top-quarks in dit specifieke kanaal, en het was ook de eerste keer dat data van de nieuwste energie (13,6 TeV) werd gebruikt.

• Het resultaat: Geen nieuwe deeltjes gevonden.
• De toekomst: Omdat er zo weinig gebeurde, is de zoektocht nu beperkt door het aantal data-punten. De onderzoekers kijken daarom met veel hoop uit naar de komende jaren (Run 3), wanneer er nog veel meer botsingen zullen plaatsvinden. Misschien vinden ze dan wel die "olifant" die we nu nog niet kunnen zien.

Kortom: Ze hebben de hele schuur grondig schoongeveegd, maar het spook (het nieuwe deeltje) zat er niet. Dat is ook een belangrijk resultaat, want het zegt ons dat de natuurkunde misschien toch net zo saai (maar stabiel) is als we dachten, of dat we nog dieper moeten graven.

Technische samenvatting

Probleemstelling en Motivatie

De vier-topquark-productie ($4t$) is een zeldzaam proces in het Standaardmodel (SM) dat recentelijk (2023) door zowel ATLAS als CMS is waargenomen. Echter, de gemeten werkzame doorsneden (cross-sections) bleken systematisch hoger te liggen dan de SM-predicties. Dit creëert ruimte voor Beyond-the-Standard-Model (BSM) processen die bijdragen aan deze eindtoestand.

Veel BSM-theorieën voorspellen nieuwe mediators die voornamelijk of uitsluitend aan topquarks koppelen, wat leidt tot diagrammen met vier topquarks. Voorbeelden hiervan zijn:

• Top-fiele $Z'$-vectorbosons.
• Scalar en pseudoscalar bosonen in Two-Higgs-Doublet-modellen (2HDM).
• Axion-achtige deeltjes (ALPs).

Het doel van dit onderzoek is om te zoeken naar resonanties in de $4t$-productie, specifiek in het kanaal met twee leptonen, om deze BSM-mediatoren te detecteren of uit te sluiten.

Methodologie en Analyse Strategie

Dataselectie:
De analyse gebruikt volledige Run 2-data van de LHC ($\sqrt{s} = 13$ TeV, $138 \text{ fb}^{-1}$) en data uit 2022 ($\sqrt{s} = 13.6$ TeV, $35 \text{ fb}^{-1}$). Hoewel de 2022-dataset kleiner is, is de signaalwerkzame doorsnede tot 30% hoger bij 13.6 TeV.

Signaaltopologie:
In tegenstelling tot eerdere zoektochten (die vaak het 1-lepton kanaal gebruikten), richt deze analyse zich op een specifieke topologie:

• De mediator verval in twee topquarks die leptonisch vervallen (leidend tot 2 leptonen).
• De twee andere topquarks (gegenereerd in associatie met de mediator) vervallen hadronisch.
• Dit kanaal helpt QCD-achtergronden te onderdrukken en maakt reconstructie mogelijk op basis van zichtbare vervalproducten.

Reconstructie en Selectie:

1. Leptonen en Jets: Er worden twee leptonen en twee kleine straal-jets geselecteerd. Minimaal één jet moet een b-tag hebben.
2. HotVR Jets: Om de hadronische topquarks te reconstrueren, worden grote straal-jets gebruikt. De standaard anti-$k_T$ jets ($R=0.8$) zijn echter inefficiënt voor topquarks met een lagere $p_T$ (onder 800 GeV). Daarom wordt gebruikgemaakt van HOTVR-jets, waarvan de straal schaalt met de inverse van de $p_T$, waardoor ze efficiënter zijn voor een breder $p_T$-bereik.
3. BDT Top-Tagger: Een nieuwe Boosted Decision Tree (BDT) gebaseerde top-tagger is ontwikkeld. Deze presteert aanzienlijk beter dan eerdere cut-based methoden (bijv. 32% efficiëntie vs. 20% voor lage $p_T$). Er is gekozen voor een werkingspunt met 84% signaalefficiëntie en een misidentificatie-ratio van 22%, geoptimaliseerd voor de lage signaalsnelheid.
4. Categorieën: De signaalregio's (SR) worden onderverdeeld op basis van het aantal b-getagde jets (1 of $\ge$ 2) en leptonflavours.

Achtergrondschatting:
De dominante achtergrond is $t\bar{t}$-productie waarbij de topquarks leptonisch vervallen en extra jets per ongeluk als top-jets worden getagged.

• Deze achtergrond wordt geschat met een "transfer factor" afgeleid van simulatie, toegepast op controlezones met 0 getagde HOTVR-jets.
• Een kleinere achtergrondcomponent (waarbij ten minste één HOTVR-jet echt van een topquark komt) wordt direct gemodelleerd via simulatie.

Statistische Analyse:
Er wordt een fit uitgevoerd op de invariante massa ($m_{JJ}$) van de twee leidende HOTVR-jets, gesplitst over verschillende kanalen. De fit wordt gecombineerd over leptonflavours en b-jet-categorieën.

Belangrijkste Resultaten

• Geen Significant Signaal: Er werd geen significante excess waargenomen boven de Standaardmodel-verwachtingen.
• Uitsluitingslimieten: Er werden 95% betrouwbaarheidsintervallen (CL) limieten gesteld op de werkzame doorsnede vermenigvuldigd met de vervalkans ($\sigma \times BR$) voor verschillende mediators:
  • $Z'$-mediators:
    • Voor een smalle breedte (4%): Limieten worden gesteld tot hoge massa's.
    • Voor een brede breedte (50%): $Z'$-mediators met massa's tot 850 GeV zijn uitgesloten (verwacht was 1000 GeV). De limieten zijn iets zwakker dan verwacht door een lichte fluctuatie in de data bij lage massa's (maximale significantie van 2.2$\sigma$ voor een 500 GeV mediator).
  • Scalar en Pseudoscalar ($t\bar{t}\phi, t\bar{t}a$): De limieten zijn vergelijkbaar met die voor de $Z'$, aangezien de kinematische eigenschappen slechts licht verschillen.
  • Axion-achtige deeltjes (ALP): Er zijn limieten gesteld op de koppelingssterkte ($c_t/f_A$). Deze resultaten worden vergeleken met eerdere CMS-zoektochten naar resonanties in $t\bar{t}$ en $t\bar{t}$ + missing transverse momentum. De vier-topquark zoektocht biedt unieke beperkingen op de koppelingsruimte voor ALP's.

Bijdragen en Significantie

1. Eerste Zoektocht in 2-Lepton Kanaal: Dit is de eerste zoektocht naar BSM-resonanties in de vier-topquark-productie specifiek in het 2-lepton kanaal.
2. Inclusie van 13.6 TeV Data: Het is de eerste analyse die data van de 13.6 TeV hardloop (2022) combineert met de 13 TeV data.
3. Technologische Innovatie:
   • Toepassing van HOTVR-jets voor efficiëntere reconstructie van topquarks met lagere $p_T$.
   • Introductie van een nieuwe BDT-gebaseerde top-tagger die de signaalacceptatie aanzienlijk verbetert ten opzichte van traditionele methoden.
4. Toekomstperspectief: De analyse is momenteel statistisch beperkt. Er wordt verwacht dat toekomstige analyses met de volledige Run 3-dataset (die veel meer geïntegreerde lichtgevendheid zal bevatten) de gevoeligheid aanzienlijk zullen verbeteren en de limieten zullen versterken.

Conclusie:
Hoewel er geen nieuw deeltje is gevonden, heeft deze analyse de meest stringente limieten tot nu toe gesteld op diverse BSM-mediatoren die koppelen aan topquarks in het vier-topquark kanaal, en heeft het bewezen dat de 2-lepton topologie met geavanceerde jet-reconstructie een krachtige tool is voor toekomstige zoektochten.