A search for electroweak $t\bar{t}Wj$ production in multileptonic final states at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector and bounds on effective field theory operators

Resumo Técnico: Uma Busca pela Produção Eletrofraca de $t\bar{t}Wj$ em Estados Finais Multilepônicos

Problema e Motivação
O programa de física do Grande Colisor de Hádrons (LHC) visa investigar a natureza da quebra de simetria eletrofraca (EWSB) dentro e além do Modelo Padrão (SM). Embora a produção de pares de quarks top em associação com um bóson $W$ ($t\bar{t}W$) seja um processo bem conhecido do SM, sua componente de produção eletrofraca (EW) em associação com um jato adicional ($t\bar{t}Wj_{EW}$) oferece um campo de teste único. Este processo específico contém um vértice de espalhamento $tW$, que é investigado diretamente pela primeira vez nesta análise. Diferente da produção de $t\bar{t}W$ induzida por Cromodinâmica Quântica (QCD), que é dominante, o processo $t\bar{t}Wj_{EW}$ é caracterizado por um jato "forward" com maior pseudorapidez.

O interesse teórico neste canal advém de sua sensibilidade a física Além do Modelo Padrão (BSM). O vértice de espalhamento $tW$ exibe uma forte sensibilidade de aumento de energia a efeitos BSM, particularmente aqueles envolvendo o acoplamento do quark top ao setor responsável pela EWSB. Desvios nesses acoplamentos poderiam se manifestar como um crescimento da seção de choque com a energia, divergindo quadraticamente com o momento. Além disso, medições recentes da produção inclusiva de $t\bar{t}W$ em $\sqrt{s}=13$ TeV mostraram tensões com as previsões do SM, que são parcialmente aliviadas pela inclusão de efeitos de ordem superior. A modelagem precisa de $t\bar{t}W$ com jatos adicionais é, portanto, crítica para reduzir as incertezas de fundo em buscas de processos raros como $t\bar{t}H$ e $t\bar{t}t\bar{t}$.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector ATLAS durante o Run 2 do LHC, correspondendo a uma luminosidade integrada de 140 fb$^{-1}$ em $\sqrt{s}=13$ TeV.

• Seleção de Eventos: A busca visa eventos com uma assinatura de dileptons contendo dois leptões de mesma carga (elétrons ou múons) e pelo menos quatro jatos, com pelo menos um jato com marcação de $b$ (b-tagged). Esta topologia surge da cadeia de decaimento onde o bóson $W$ decai leptonicamente, um quark top decai via $W \to \ell\nu b$, e o outro top decai hadronicamente.
• Discriminação de Sinal: Para distinguir o sinal ($t\bar{t}Wj_{EW}$) do fundo dominante de $t\bar{t}Wj$ induzido por QCD, a análise explora as propriedades cinemáticas do jato mais forward não marcado com $b$. Especificamente, a diferença na pseudorapidez ($\Delta\eta_j$) entre este jato forward e o jato com o qual ele forma a maior massa invariante é utilizada como um discriminante.
• Estimativa de Fundo:
  • Fundos prontos (ex: $t\bar{t}Z$, $VV$, $t\bar{t}W$ QCD) são estimados usando simulações de Monte Carlo (MC) normalizadas aos dados via um ajuste simultâneo.
  • Leptões não prontos e falsos (resultantes de decaimentos de sabor pesado ou jatos mal identificados) são estimados usando um Método de Matriz (MM) baseado em dados.
  • Fundos de inversão de carga (charge-flip, onde a carga de um elétron é mal identificada) são estimados usando eventos de di-elétron próximos ao pico de massa do bóson $Z$.
• Análise Estatística: Um ajuste de verossimilhança de perfil bincado (binned profile-likelihood fit) é realizado simultaneamente em uma Região de Sinal (SR) e sete Regiões de Controle (CRs). As CRs são projetadas para restringir as normalizações de fundo (ex: $t\bar{t}Z$, dibósons, leptões falsos) e são definidas com base na multiplicidade de jatos, carga do lépton, contagem de $b$-jets e variáveis cinemáticas como $H_T$ e $\Delta\eta_j$.
• Interpretação EFT: Os resultados são interpretados dentro do arcabouço da Teoria de Campo Efetivo do Modelo Padrão (SMEFT), focando nos operadores de dimensão-6 $O_{Ht}$ e $O^{(1)}_{HQ}$. Esses operadores modificam os acoplamentos eletrofracos do quark top. A análise considera a sensibilidade dependente da energia do processo $t\bar{t}Wj_{EW}$, re-zincando a SR em momento transversal do lépton líder ($p_T(\ell_0)$) para maximizar a sensibilidade ao crescimento quadrático da energia previsto por esses operadores. O ajuste leva em conta tanto as dependências lineares quanto quadráticas nos coeficientes de Wilson, utilizando pseudo-conjuntos de dados para abordar potenciais violações do teorema de Wilks devido aos termos quadráticos.

Principais Contribuições

1. Primeira Sondagem Direta de Espalhamento $tW$: Este trabalho apresenta a primeira sondagem experimental direta do vértice de espalhamento $tW$ embutido no processo $t\bar{t}Wj_{EW}$.
2. Separação de Contribuições EW e QCD: A análise isola com sucesso a contribuição eletrofraca do fundo dominante de QCD usando a cinemática de jato forward, fornecendo uma medição mais limpa do processo EW.
3. Complementaridade EFT: O estudo demonstra a utilidade de combinar as medições de $t\bar{t}Wj_{EW}$ e $t\bar{t}Z$. Embora a produção $t\bar{t}Z$ seja sensível aos mesmos operadores EFT, ela sofre de degenerações entre $O_{Ht}$ e $O^{(1)}_{HQ}$. A inclusão de $t\bar{t}Wj_{EW}$, com sua distinta dependência quadrática de energia, ajuda a levantar essas degenerações, proporcionando restrições mais rigorosas nos coeficientes de Wilson.
4. Controle de Fundo Baseado em Dados: A análise emprega técnicas sofisticadas baseadas em dados, particularmente o Método de Matriz para leptões falsos, que é ajustado para considerar sua dependência da seção de choque de $t\bar{t}W$, reduzindo assim as incertezas de modelagem.

Resultos

• Medição da Seção de Choque: A força do sinal observada é $\mu_{t\bar{t}Wj_{EW}} = 0.9^{+2.4}_{-3.0}$, consistente com a expectativa do Modelo Padrão de 1.0.
• Limites Superiores: Um limite superior de confiança de 95% CL para a seção de choque de $t\bar{t}Wj_{EW}$ é estabelecido em $\sigma_{t\bar{t}Wj_{EW}} < 251$ fb (limite esperado: 230 fb), para ser comparado com a previsão do SM de $47.7^{+1.9}_{-1.4}$ fb.
• Restrições EFT:
  • Limites são estabelecidos nos coeficientes de Wilson $c_{Ht}/\Lambda^2$ e $c^{(1)}_{HQ}/\Lambda^2$ (com $\Lambda = 1$ TeV).
  • Ao ajustar ambos os operadores simultaneamente, os intervalos de confiança de 95% são determinados como $c_{Ht} \in [-10, -0.96] \cup [1.5, 7.3]$ e $c^{(1)}_{HQ} \in [-12, 0.33] \cup [3.4, 12]$ (em unidades de TeV$^{-2}$) ao considerar tanto os processos $t\bar{t}Wj_{EW}$ quanto $t\bar{t}Z$.
  • A análise confirma que o ajuste combinado de $t\bar{t}Wj_{EW}$ e $t\bar{t}Z$ efetivamente fecha as direções degeneradas presentes quando analisando apenas $t\bar{t}Z$.
• Incertezas Sistemáticas: A medição é dominada por incertezas sistemáticas, principalmente a normalização e modelagem do fundo QCD de $t\bar{t}W$, incertezas de modelagem de jato e a estimativa das contribuições de leptões falsos.

Significância
O artigo conclui que a busca é consistente com as expectativas do Modelo Padrão, sendo a medição limitada por incertezas sistemáticas em vez de poder estatístico. A principal significância reside na demonstração do processo $t\bar{t}Wj_{EW}$ como uma poderosa sonda para operadores EFT que afetam os acoplamentos eletrofracos do quark top. A análise destaca a importância da sensibilidade dependente da energia e a necessidade de interpretações EFT de múltiplos processos e múltiplos operadores para desvendar efeitos de nova física. Os autores observam que, embora a sensibilidade atual seja limitada pela estatística de eventos em alto $p_T$, os dados futuros do Run 3 do LHC devem aumentar essa sensibilidade, particularmente ao explorar a interação entre processos com e sem crescimento significativo de alta energia.