Search for pair-production of vector-like $T$ quarks decaying into a top quark and a spin-0 particle in the diphoton final state in proton proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Technische Samenvatting: Zoektocht naar de paarproductie van vector-achtige $T$-quarks die vervallen in een topquark en een spin-0 deeltje in de diphoton-eindtoestand

Probleem en Motivatie
Na de ontdekking van het Higgs-boson in 2012 heeft de hoogenergetische fysica zich gericht op het bepalen of de Higgs fundamenteel of samengesteld (composite) is en op het aanpakken van het hiërarchieprobleem. Theorieën zoals partiële composietheid stellen de aanwezigheid voor van vector-achtige quarks (VLQ's), specifelijk top-partners ($T$), die mengen met Standard Model (SM) fermionen. Hoewel eerdere zoektochten grotendeels uitgingen van VLQ-verval naar SM-deeltjes (bijv. $T \to tH, tZ, tW, bW$), voorspellen modellen die betrokken zijn bij composietheid vaak extra exotische scalairen of pseudoscalaire ($S$). In dergelijke scenario's zou een top-partner kunnen vervallen via $T \to St$, waarbij $S$ een nieuw spin-0 deeltje is. Als $S$ vervalt in SM-deeltjes, vertegenwoordigen deze cascade-vervallen een zoektopologie die voorheen niet is onderzocht door de ATLAS- of CMS-collaboraties. Deze analyse richt zich op het specifieke proces van paar-geproduceerde VLQ's ($pp \to T\bar{T}$) waarbij één $T$ vervalt via $T \to St \to t\gamma\gamma$ en de andere via $T \to St \to tX$, waarbij $X$ elke toegestane eindtoestand vertegenwoordigt ($\gamma\gamma, Z\gamma, WW, ZZ, t\bar{t}$).

Methodologie
De analyse maakt gebruik van de volledige Run 2-dataset verzameld door de ATLAS-detector bij $\sqrt{s}=13$ TeV, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 140 fb$^{-1}$.

• Event Selectie: Events worden geselecteerd door ten minste twee geïsoleerde fotonen te vereisen met een transversale energie $E_T > 38$ GeV en een pseudorapiditeit $|\eta| < 2.47$ (exclusief de barrel-endcap transitie regio). Ten minste één $b$-getagde jet is vereist. De invariante massa van het diphoton-systeem ($m_{\gamma\gamma}$) moet groter zijn dan 150 GeV om de Higgs-boson massaregio te vermijden.
• Kinematische Discriminator: De primaire discriminator tegen de SM-achtergrond is de scalaire som van de transversale momenta van alle zichtbare objecten (jets, leptonen, fotonen) plus de ontbrekende transversale momentum ($E_T^{\text{miss}}$), aangeduid als $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Deze variabele is gekozen omdat de vervalproducten van zware resonanties een grote transversale momentum worden verwacht, terwijl SM-processen de lagere kant van dit spectrum bezetten.
• Signaal- en Achtergrondmodellering:
  • Signaal: Gesimuleerd met MadGraph5_aMC@NLO met Pythia 8 voor parton showering. Signaal-samples dekken $T$-massa's ($m_T$) van 1000 tot 1800 GeV en $S$-massa's ($m_S$) van 200 tot 1200 GeV. De analyse gaat uit van een 100% vertakkingsratio (branching ratio) voor $T \to St$.
  • Achtergrond: De continuüm diphoton-achtergrond wordt geschat met een data-gedreven benadering. Controlegebieden (CR's) worden gedefinieerd in lagere $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ bereiken om achtergrondtemplates te leveren. De vorm van de achtergrond in de Signaalgebieden (SR's) wordt geparametriseerd door een exponentiële functie, $f(m_{\gamma\gamma}) = N e^{-m_{\gamma\gamma}/\tau}$, met parameters die aan de data worden aangepast.
• Statistische Analyse: Er wordt een ongebinne simultane likelihood-fit uitgevoerd over vier Signaalgebieden die zijn gedefinieerd door toenemende $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ drempelwaarden. Systematische onzekerheden, inclusief die van de achtergrondmodellering (spurious signal), foton energie schaal/resolutie en luminositeit, worden geïncorporeerd via nuisance parameters.

Belangrijkste Bijdragen

• Nieuwe Zoektopologie: Dit is de eerste ATLAS-zoektocht naar paar-geproduceerde VLQ's die vervallen via een exotisch spin-0 deeltje in een diphoton-eindtoestand. Het adresseert een gat in eerdere VLQ-zoektochten die doorgaans direct verval naar SM-bosonen aannamen.
• Model-onafhankelijke Resultaten: Hoewel de zoektocht gemotiveerd is door specifieke cascade-modellen, worden de resultaten gepresenteerd in een fiduciaal volume gedefinieerd door kinematische eisen aan de fotonen. Dit maakt het mogelijk om de limieten te herinterpreteren in een breed scala aan fenomenologische modellen buiten het specifieke $T \to St$ scenario.
• Omvattend Parameterruimte: De analyse dekt een breed bereik aan massa's ($m_T \in [1000, 1800]$ GeV, $m_S \in [200, 1200]$ GeV), waarbij alleen kinematisch onderdrukte regio's worden uitgesloten waar $m_S > m_T - m_t$.

Resultaten

• Observatie: Er wordt geen significante excess waargenomen boven de verwachte Standard Model achtergrond in enig van de Signaalgebieden. De data zijn consistent met de achtergrond-alleen hypothese, waarbij afwijkingen binnen $2\sigma$ blijven.
• Exclusie Limieten: Bovengrens-limieten op het 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) worden gesteld op de fiduciale productie-doorsnede maal de vertakkingsratio, $\sigma_{\text{fid}}(pp \to T\bar{T}) \times \mathcal{B}(S \to \gamma\gamma) \times \mathcal{B}(S \to X)$, als functie van $m_T$ en $m_S$.
• Model Interpretatie: De resultaten worden geïnterpreteerd binnen het kader van een specifiek partiële composietheid model (Ref. [61]). In dit model, uitgaande van gedegenereerde massa's voor de VLQ's en de spin-0 deeltjes, sluit de analyse $T$-massa's onder $m_T = 1620$ GeV uit voor het scenario waar de spin-0 deeltjes vervallen in niet-fotonische eindtoestanden (het $2\gamma$ geval, overeenkomend met één $S \to \gamma\gamma$ en de andere naar niet-fotonische modi). De exclusie-limieten zijn zwakker voor scenario's met meer fotonen (bijv. $3\gamma$ of $4\gamma$ eindtoestanden) vanwege lagere vertakkingsratio's of acceptatie.

Significantie
Het artikel claimt significantie primair als een pionierszoektocht in een nog niet verkend verval kanaal voor Vector-achtige Quarks. Door de $T \to St$ cascade met $S \to \gamma\gamma$ te targeten, breidt de analyse de gevoeligheid van VLQ-zoektochten uit naar scenario's met exotische scalairen, die worden voorspeld door composiet Higgs-modellen maar voorheen niet geconstreerd door ATLAS. Het gebrek aan een waargenomen signaal stelt de collaboratie in staat om de eerste restricties op deze specifieke topologie op te leggen, waardoor de levensvatbare parameterrumte voor modellen die top-partners voorspellen die vervallen via nieuwe spin-0 mediatoren, wordt ingeperkt. De resultaten worden gepresenteerd met een hoge mate van model-onafhankelijkheid in het fiduciale volume, wat hun nut voor toekomstige herinterpretaties verzekert.