Search for single vector-like quark production in opposite-sign dilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

De CMS-samenwerking presenteert de eerste zoektocht naar productie van een enkele vector-achtige topquark (T) die vervalt in een topquark en een Higgsboson in eindtoestanden met twee leptonen van tegengestelde lading, gebruikmakend van 138 fb⁻¹ aan data van proton-protonbotsingen bij 13 TeV, waarbij geen bewijs voor nieuwe fysica wordt gevonden en 95%-betrouwbaarheidsintervallen voor de productiewaarschijnlijkheid worden vastgesteld die variëren van 2,0 pb bij 600 GeV tot 0,1 pb bij 1000 GeV.

De kern

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN voor als 's werelds krachtigste deeltjessmelter. Hij neemt twee bundels protonen (kleine bouwstenen van materie) en smelt ze samen met bijna de lichtsnelheid. Wanneer ze botsen, kan de energie van de klap tijdelijk omzetten in nieuwe, zware deeltjes die niet bestaan in onze alledaagse wereld.

Dit artikel is een verslag van het CMS-experiment, een van de reuzen detectoren die deze botsingen in de gaten houden. De wetenschappers zijn op zoek naar een specifiek type "zwaar goud": een deeltje dat een Vector-Like Quark wordt genoemd, specifiek een zware versie van de top-quark, die zij "T" noemen.

Hier is het verhaal van hun zoektocht, eenvoudig uitgelegd:

1. De mysterieuze gast: de "Vector-Like" quark

In ons standaardbegrip van de natuurkunde (het Standaardmodel) komen quarks voor in paren met een specifieke "handigheid" (links of rechts). Maar natuurkundigen vermoeden dat er misschien een "vierde generatie" quarks bestaat die anders zijn. Deze worden Vector-Like Quarks genoemd.

Stel je de quarks van het Standaardmodel voor als een paar schoenen: één links, één rechts. Ze zijn verschillend. Een Vector-Like Quark is als een schoen die tegelijkertijd links en rechts is. Vanwege deze speciale aard kan hij ongelooflijk zwaar zijn zonder de regels van de natuurkunde te breken. Als deze deeltjes bestaan, kunnen ze helpen uitleggen waarom het universum de massa heeft die het heeft en diepe wiskundige raadsels oplossen.

2. De jacht: Op zoek naar een "T"-quark

De wetenschappers zoeken naar een specifieke zware gast: de T-quark. Ze zoeken niet naar hem om alleen te verschijnen; ze zoeken naar hem om enkelvoudig te worden gecreëerd (één voor één) en vervolgens direct te vervallen (uit elkaar te vallen) in twee andere dingen:

1. Een standaard Top-quark (een zwaar, bekend deeltje).
2. Een Higgs-boson (het deeltje dat andere deeltjes massa geeft).

De analogie: Stel je een zware, onstabiele ballon voor (de T-quark) die in de lucht knalt. Wanneer hij knalt, verdwijnt hij niet zomaar; hij laat twee specifieke voorwerpen los: een zware bowlingbal (de Top-quark) en een gloeiende bol (het Higgs-boson). De wetenschappers willen de puinresten van deze specifieke knal vangen.

3. De aanwijzingen: Het spoor van "tegengestelde tekens" (Opposite-Sign Dilepton)

Wanneer de Top-quark en het Higgs-boson uit elkaar vallen, creëren ze een rommelig spoor van puin. De wetenschappers richtten zich op een zeer specifiek, zeldzaam patroon van puin om hun T-quark te vinden:

• Twee leptonen: Ze zochten naar twee deeltjes die lijken op elektronen of muonen (lichtgewicht, snel bewegende deeltjes).
• Tegengestelde tekens: De ene moet positief (+) zijn en de andere negatief (-).
• Ontbrekende energie: Omdat sommige onzichtbare deeltjes (neutrino's) weg vliegen, is er een "ontbrekende" hoeveelheid energie in de detector.
• Jets: Ze zochten ook naar stralen van deeltjes (jets) afkomstig van de zware quarks.

De metafoor: Stel je een misdaadplek voor. De wetenschappers zoeken naar een zeer specifiek setje voetafdrukken: een linkse schoenafdruk en een rechtse schoenafdruk (de twee leptonen) die naar tegenovergestelde richtingen wijzen, omringd door een hoop puin (jets), met een opvallende opening in de vloer waar iets onzichtbaars is weggerold (ontbrekende energie). Deze specifieke combinatie is de "handtekening" van het vervallen van de T-quark.

4. De zoektocht: Door het lawaai zeven

De LHC produceert miljarden botsingen. De meeste zijn saai achtergrondruis – als regen die op een dak valt. De wetenschappers moesten de regen filteren om de ene zeldzame diamant te vinden.

• Ze analyseerden gegevens uit 2016 tot 2018, wat vergelijkbaar is met het bekijken van een enorme bibliotheek van 138 "boeken" (eenheden van gegevens genaamd inverse femtobarns).
• Ze gebruikten krachtige computeralgoritmen om de botsingen te reconstrueren en probeerden het "T"-deeltje uit het puin in elkaar te zetten.
• Ze berekenden hoe het "achtergrondruis" (standaard natuurkunde) eruit zou moeten zien en vergeleken dit met wat ze daadwerkelijk zagen.

5. Het resultaat: Geen diamanten gevonden (nog niet)

Na het zeven door al die gegevens vonden de wetenschappers geen bewijs voor de T-quark.

• Het aantal "diamanten" (gebeurtenissen met de specifieke handtekening) dat ze vonden, kwam exact overeen met wat ze verwachtten van de "regen" (standaard achtergrondprocessen).
• Er was geen verrassende piek of "overschot" dat zou wijzen op een nieuw deeltje.

6. De conclusie: Het afbakenen van de grenzen

Hoewel ze het deeltje niet hebben gevonden, was de zoektocht geen mislukking. Het was een succesvolle "omheining-bouw" oefening.

• Omdat ze de T-quark niet hebben gevonden, kunnen ze nu zeggen: "Als dit deeltje bestaat, moet het zwaarder zijn dan we dachten, of het is veel moeilijker te creëren dan we hoopten."
• Ze hebben een "limiet" gesteld op hoe waarschijnlijk het is dit deeltje te vinden. Ze hebben het bestaan van T-quarks met massa's tussen 600 en 1200 GeV (een specifiek bereik van zwaarte) uitgesloten.
• Dit is de eerste keer dat iemand naar dit specifieke deeltje heeft gezocht in dit specifieke "tegengestelde tekens dilepton"-patroon.

Samenvattend:
Het CMS-team zocht naar een zwaar, exotisch deeltje (de T-quark) door protonen tegen elkaar te smeden en te zoeken naar een zeer specifiek, zeldzaam patroon van puin. Ze vonden het niet. Dit betekent dat als dit deeltje bestaat, het zich verbergt in een zwaarder, meer ontwijkend bereik dan ze met deze specifieke zoektocht konden bereiken. De jacht gaat door, maar de kaart van waar het niet is, is net veel gedetailleerder geworden.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektocht naar productie van enkele vector-achtige quarks in eindtoestanden met tegenovergestelde tekens van twee leptonen

Probleem en Motivatie
Vector-achtige quarks (VLQ's) zijn hypothetische fermionen waarbij de linkshandige en rechtshandige chirale componenten identiek transformeren onder de elektroweak groep van het Standaardmodel (SM). In tegenstelling tot chirale quarks kunnen VLQ's massatermen bezitten die invariant zijn onder de ijktransformaties en onafhankelijk van het SM-Higgsboson, waardoor ze zware toestanden kunnen vormen die de huidige beperkingen op Higgs-koppelingen ontlopen. Ze zijn theoretisch gemotiveerd als potentiële oplossingen voor het hiërarchieprobleem en als verklaringen voor waargenomen aanwijzingen van afwijkingen van de unitariteit van de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM)-matrix. In modellen voor fysica buiten het SM kunnen VLQ's optreden als singletten, dubbelletten of tripletten. Dit artikel richt zich op de productie van een enkele vector-achtige topquark ($T$) met elektrische lading $+2/3$, specifiek het proces $pp \to Tbq$ via uitwisseling van een $W$-boson in het $t$-kanaal. De studie richt zich op het vervalkanaal $T \to tH$, waarbij de topquark hadronisch vervalt en het Higgsboson voornamelijk vervalt in een paar $W$-bosons ($H \to WW$), met daaropvolgende leptonische vervallen van de $W$-bosons die een eindtoestand met twee leptonen van tegenovergestelde tekens (OS) opleveren.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsdata verzameld door het CMS-experiment bij een middelpuntsenergie van $\sqrt{s} = 13$ TeV tijdens de looptijden 2016–2018, overeenkomend met een geïntegreerde lichtsterkte tot 138 fb$^{-1}$.

• Selectie van gebeurtenissen: De zoektocht richt zich op eindtoestanden met twee leptonen van tegenovergestelde tekens (elektronen of muonen), ten minste drie jets (waarvan ten minste één met een $b$-tag), en ontbrekend transversaal impuls ($p^{\text{miss}}_T$). De selectie vereist precies twee OS-leptonen met $p_T > 35$ GeV (elektronen) of $p_T > 30$ GeV (muonen) en $|\eta| < 2.5$ (elektronen) of $2.4$ (muonen). Jets moeten een $p_T > 30$ GeV hebben en $|\eta| < 2.5$. Om achtergronden van Drell–Yan (DY) met lage massa te onderdrukken, wordt de invariante massa van het leptonenpaar ($m_{\ell\ell}$) vereist kleiner dan 60 GeV te zijn.
• Reconstructie van het signaal: De belangrijkste discriminerende variabele is de gereconstrueerde invariante massa van de $T$-kandidaat ($m_{tH}$). De topquark wordt gereconstrueerd uit een met een $b$-tag gemarkeerde jet en een kandidaat voor een $W$-boson (gevormd uit twee jets met een invariante massa dicht bij de wereldgemiddelde $W$-massa). Het Higgsboson wordt gereconstrueerd uit de twee leptonen en het ontbrekende transversale impuls. Vanwege de aanwezigheid van twee neutrino's in het vervalkanaal $H \to WW \to \ell\ell'\nu\nu$ wordt een partiële reconstructie toegepast. Onder de aanname dat het neutrino-paar collineair is met het leptonenpaar, wordt de longitudinale impuls van de neutrino's geschat en wordt de invariante massa van het neutrino-paar benaderd met de gemiddelde waarde uit gesimuleerde signaargebeurtenissen ($\langle m_{\nu\nu} \rangle = 30$ GeV).
• Schatting van achtergronden: De dominante achtergronden zijn de productie van topquarkparen ($t\bar{t}$) en DY-productie. De vorm van de achtergrond in het signaalgebied wordt rechtstreeks geschat uit waargenomen data met behulp van een geparametriseerde functie (een exponentiële van een polynoom van de tweede orde in de logaritme van $m_{tH}$). Deze aanpak minimaliseert de afhankelijkheid van Monte Carlo (MC)-simulaties voor normalisatie. De selectie omvat een dynamische drempel voor de scalaire som van de transversale impulsen ($S_T$) van de top- en Higgs-kandidaten, gedefinieerd als een functie van $m_{tH}$ om een glad aflopende achtergrondvorm te handhaven.
• Statistische analyse: Een ingedeelde maximum-likelihood-fit wordt uitgevoerd op de verdeling van $m_{tH}$ over twaalf categorieën (drie leptonenflavorcombinaties $\times$ vier data-opnameperioden). Systematische onzekerheden, waaronder die gerelateerd aan de energie-schaal/resolutie van jets, $b$-tagging, lichtsterkte en achtergrondparametrisatie, worden behandeld als storende parameters.

Belangrijkste bijdragen

• Eerste zoektocht in het OS-dileptonkanaal: Dit werk presenteert de eerste zoektocht naar productie van een enkele $T$ in het kanaal $T \to tH$ met gebruikmaking van eindtoestanden met twee leptonen van tegenovergestelde tekens bij de LHC. Eerdere CMS-analyses in dit kanaal richtten zich op volledig hadronische topvervallen of Higgs-vervallen naar diphotonen of $b$-quarkparen.
• Techniek voor partiële reconstructie: De analyse implementeert een specifieke kinematische reconstructiemethode voor het vervalkanaal $H \to WW \to \ell\ell\nu\nu$, waardoor het gebruik van de variabele $m_{tH}$ mogelijk is ondanks de niet-geobserveerde neutrino's.
• Modelonafhankelijke grenswaarden: Gezien de afhankelijkheid van de productiecrosssectie voor enkele productie van koppelingen aan SM-quarks en elektroweak bosons, worden de resultaten gepresenteerd als bovengrenzen voor het product van de productiecrosssectie en het vertakkingsfraction, $\sigma(pp \to T)\mathcal{B}(T \to tH)$, in plaats van alleen voor de massa.

Resultaten
Er werd geen significant overschot aan gebeurtenissen boven de verwachte SM-achtergrond waargenomen in de data over het geteste $T$-massabereik van 600 tot 1200 GeV. Bijgevolg werden bovengrenzen met een betrouwbaarheidsniveau van 95% (CL) vastgesteld voor $\sigma(pp \to T)\mathcal{B}(T \to tH)$.

• De waargenomen grenswaarden variëren van 2,0 pb bij een $T$-massa van 600 GeV tot 0,1 pb bij 1000 GeV.
• De grenswaarden zijn consistent met de verwachte grenswaarden binnen de onzekerheidsbanden.
• Het elektron-muon ($e\mu$)-kanaal bood de sterkste beperkingen vanwege het hoge vertakkingsfraction en de afwezigheid van de DY-achtergrond.
• De analyse gaat uit van de nauwe-breedtebenadering voor de $T$-resonantie en een verhouding van breedte tot massa ($\Gamma_T/M_T$) van 5%.

Betekenis
Het artikel stelt dat deze zoektocht eerdere zoektochten naar productie van enkele $T$-VLQ's aanvult door de analyse uit te breiden naar de eindtoestand met twee leptonen van tegenovergestelde tekens. Door het vervalkanaal $T \to tH$ in deze specifieke topologie te onderzoeken, bestrijkt de analyse een eerder onontgonnen gebied van de parameter ruimte voor zoektochten naar vector-achtige quarks bij de LHC. De resultaten bieden beperkingen op het product van de productiecrosssectie en het vertakkingsfraction voor $T$-massa's tussen 600 en 1200 GeV, wat bijdraagt aan de bredere inspanning om het Standaardmodel te testen en te zoeken naar nieuwe natuurkundige fenomenen.