Search for physics beyond the standard model in four and three top quark production events using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Technische Samenvatting: Zoektocht naar BSM-fysica in vier- en drie-top quarkproductie

Probleem en Motivatie
Het topquark, als het zwaarste elementaire deeltje in het Standaardmodel (SM), speelt een cruciale rol in het begrijpen van elektroschwakke symmetriebreking. Zeldzame productieprocessen waarbij meerdere topquarks betrokken zijn, specifiek de gelijktijdige productie van vier topquarks ($tttt$) en drie topquarks in associatie met een $W$-boson of een licht quark ($tttW$, $tttq$, gezamenlijk $ttt$), dienen als gevoelige sondes voor fysica buiten het Standaardmodel (BSM). Deze processen worden voorspeld te worden versterkt in diverse BSM-scenario's, waaronder supersymmetrie, compositie, extra dimensies, uitgebreide Higgs-sectoren, en modellen die betrokken zijn bij donkere materie of axion-achtige deeltjes. Bovendien kunnen modificaties aan de topquark Yukawa-koppeling en de aanwezigheid van zware resonanties die vervallen naar topquarks de dwarsdoorsneden en kinematische distributies van deze zeldzame gebeurtenissen aanzienlijk veranderen. Hoewel eerdere analyses door de ATLAS- en CMS-experimenten $tttt$-productie hebben waargenomen, beoogt dit artikel een uitgebreide interpretatie van de $tttt$- en $ttt$-data binnen drie specifieke BSM-kaders: de Standard Model Effective Field Theory (SMEFT), zoektochten naar smalle topphiele zware resonanties, en de extractie van de CP-structuur van de topquark Yukawa-koppeling.

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

• Gebeurtenisselectie (Event Selection): Gebeurtenissen worden geselecteerd door exact twee even-geladen, drie of vier strikte leptonen (elektronen of muonen) te vereisen, geen aanvullende losse leptonen, en ten minste twee jets met ten minste één $b$-getagde jet. De selectie wordt gecategoriseerd in exclusieve signaalregio's (SR's) en controleregio's (CR's) op basis van het aantal jets ($N_j$), $b$-jets ($N_b$), de scalaire som van de transversale impulsen van de jets ($H_T$), en de aanwezigheid van $Z$-boson kandidaten.
• Signaal- en Achtergrondmodellering: Het $tttt$-signaal wordt gesimuleerd in de volgende orde (NLO) in QCD, terwijl $ttt$-productie wordt gesimuleerd in NLO met een diagramverwijderingsschema om overlap met $tttt$ te voorkomen. Achtergronden, inclusief $ttZ$, $ttW$, $ttH$ en niet-prompt leptonbronnen, worden geschat met een combinatie van simulatie en data-gedreven methoden (bijv. de "tight-to-loose" ratio methode).
• Discriminatie: Multiclassificatie Boosted Decision Trees (BDT's) worden ingezet om onderscheid te maken tussen het $tttt$-signaal, geassocieerde top-productie ($ttX$), en $t\bar{t}$-achtergronden.
• Fit-strategie: Likelihood-fits worden uitgevoerd op de BDT-score-distributies of de $H_T$-distributie, afhankelijk van het specifieke BSM-scenario dat wordt getest. De $H_T$-distributie wordt gebruikt voor SMEFT en resonantiezoektochten vanwege de gevoeligheid voor hoogenergetische versterkingen, terwijl de BDT-score wordt gebruikt voor de SM-dwarsdoorsnede-meting en de extractie van de Yukawa-koppeling. Systematische onzekerheden, inclusief die gerelateerd aan luminositeit, detectorprestaties en theoretische modellering (schaalvariaties, PDF's), worden opgenomen als nuisance-parameters.

Belangrijkste Bijdragen
Dit werk presenteert de eerste simultane interpretatie van $tttt$- en $ttt$-productiedata binnen een enkel analyseframework voor drie verschillende BSM-scenario's:

1. SMEFT-interpretatie: Beperkingen worden afgeleid op zes dimensie-6 Wilson-coëfficiënten ($c_{tt}$, $c^{(1)}_{QQ}$, $c^{(1)}_{Qt}$, $c^{(8)}_{Qt}$, $c^{\text{Re}}_{tH}$, en $c^{\text{Im}}_{tH}$) die vier-zware-quark en top-Higgs interacties modificeren. Dit is de eerste analyse die geoptimaliseerd voor $tttt$-productie deze zes operatoren simultaan overweegt.
2. Zware Resonantie Zoektocht: Exclusie-limieten worden ingesteld op zes vereenvoudigde modellen van smalle topphiele zware resonanties (scalaire, pseudoscalaire en vector-bosonen in kleur-singlet en kleur-octet toestanden) met massa's variërend van 400 GeV tot 1,6 TeV.
3. Yukawa Koppeling Extractie: De topquark Yukawa-koppeling wordt geëxtraheerd, waarbij zowel CP-even ($\kappa_t$) als CP-oneven ($\tilde{\kappa}_t$) bijdragen worden geparametriseerd, gebruikmakend van een parametrisatie die kwartische termen bevat om effecten voorbij de lineaire SMEFT-benadering te vangen.

Resultaten

• SM Dwarsdoorsnede: De gemeten $tttt$-productiedwarsdoorsnede is $\sigma(tttt) = 18.9^{+4.4}_{-4.0}$ fb, wat consistent is met de SM-voorspelling van $13.4^{+1.0}_{-1.8}$ fb binnen ongeveer 1,3 standaarddeviaties. Een sterke anticorrelatie ($\rho = -0.98$) wordt waargenomen tussen de $tttt$- en $ttt$-dwarsneden, wat bevestigt dat de experimentele analyse de twee processen in de meest gevoelige regio's niet kan onderscheiden.
• SMEFT Beperkingen: De data zijn statistisch compatibel met de SM-verwachting (nul Wilson-coëfficiënten). De analyse biedt de eerste beperkingen op het imaginaire deel van de top-Higgs Wilson-coëfficiënt ($c^{\text{Im}}_{tH}$) vanuit een $tttt$-productieanalyse. De geobserveerde exclusie-intervallen voor vier-zware-quark operatoren zijn 12–25% strakker dan eerdere CMS multilepton EFT-metingen en 64–89% strakker dan ATLAS $tttt$ dwarsdoorsnede-metingen.
• Resonantie Exclusies: Er wordt geen significante overmaat waargenomen. Exclusie-limieten worden ingesteld op de koppelingssterkte van topphiele resonanties als functie van de massa. Voor kleur-octet modellen worden fysieke scenario's uitgesloten voor massa's onder de 1,4–1,6 TeV. Voor kleur-singlet modellen zijn de limieten over het algemeen zwakker, met fysieke exclusies alleen voor massa's onder de 600–800 GeV.
• Yukawa Koppeling: De geëxtraheerde Yukawa-koppelingsmodificaties zijn consistent met de SM-verwachting ($\kappa_t = 1, \tilde{\kappa}_t = 0$) op het niveau van één standaarddeviatie. Het geobserveerde 95% betrouwbaarheidsniveau interval voor $|\kappa_t|$ (waarbij $\tilde{\kappa}_t=0$ gefixeerd is) is $0,7 < |\kappa_t| < 1,4$, wat aanzienlijk strakker is dan eerdere beperkingen afgeleid van uitsluitend $tttt$-productie.

Significantie
Het artikel claimt significantie primair door de simultane behandeling van $tttt$- en $ttt$-productie als signaalprocessen, waarbij erkend wordt dat zij experimenteel ononderscheidbaar zijn in huidige signaturen en vergelijkbare modificatiepatronen vertonen onder BSM-scenario's. Door gebruik te maken van geoptimaliseerde observabelen ($H_T$ voor hoogenergetische gevoeligheid en BDT-scores voor zuiverheid) en een verenigd fit-framework, bereikt de analyse verbeterde beperkingen op SMEFT-operatoren vergeleken met eerdere individuele metingen. Het werk biedt de eerste simultane beperkingen op zes specifieke Wilson-coëfficiënten in een $tttt$-geoptimaliseerde analyse en biedt de meest stringente limieten tot nu toe op de topquark Yukawa-koppeling afgeleid van multi-top productie, terwijl het ook exclusie-limieten vaststelt op een breed scala aan topphiele zware resonantie-modellen. De resultaten zijn statistisch compatibel met het Standaardmodel, wat het huidige begrip van topquark-fysica versterkt terwijl het precieze grenzen stelt voor potentiële nieuwe fysica.