Search for single production of a vector-like T quark decaying to a top quark and a neutral scalar boson in the lepton+jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumo Técnico: Busca pela Produção Única de um Quark Vetorial-Like Decaindo em um Quark Top e um Bóson Escalar Neutro

Problema e Motivação
Este artigo apresenta uma busca pela produção única de um quark vetorial-like (VLQ) com carga $2e/3$, denotado como $T$, decaindo em um quark top ($t$) e um bóson escalar neutro ($\phi$). O bóson escalar é considerado ou o bóson de Higgs do Modelo Padrão (SM) ou um novo bóson escalar além do Modelo Padrão ($\phi$). Embora medições de precisão restrinjam a existência de uma quarta geração de quarks quirais, os quarks vetoriais-like permanecem uma previsão viável de várias extensões do Modelo Padrão que abordam o problema da hierarquia. Diferente dos quarks quirais, os VLQs adquirem massa independentemente das acoplamentos de Yukawa. Buscas anteriores focaram amplamente na produção em pares ou produção única em canais de decaimento envolvendo $Wb$, $Zt$ ou $tH$ (com $H \to$ difotons ou totalmente hadrônico). Esta análise visa a topologia de decaimento específica $T \to t\phi$ (onde $\phi \to b\bar{b}$) no estado final de lépton+jatos, um canal anteriormente inexplorado para a produção única de $T$ em um novo escalar neutro.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV coletados pelo experimento CMS durante 2016–2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb$^{-1}$.

• Topologia do Sinal: O sinal é caracterizado por um único quark $T$ produzido em associação com um quark bottom ($bTq$ production). O $T$ decai para $t\phi$, onde o quark top decai leptonicamente ($t \to Wb \to \ell\nu b$) e o bóson escalar decai para um par bottom-antibottom ($\phi \to b\bar{b}$). O estado final consiste em um lépton isolado ($e$ ou $\mu$), momento transversal ausente ($p_T^{miss}$) e múltiplos jatos, incluindo um jato de sabor leve frontal e um sistema $b\bar{b}$ impulsionado (boosted).
• Reconstrução de Eventos:
  • Bóson Escalar ($\phi$): Reconstruído como um jato de grande raio (AK8, $R=0.8$), com $p_T > 500$ GeV. Uma rede neural profunda descorrelacionada de massa (MD), PARTICLENET-MD, é empregada para identificar jatos originados de decaimentos $X \to b\bar{b}$ (tagger $Xbb$).
  • Quark Top: Reconstruído a partir de um lépton, um jato AK4 e $p_T^{miss}$. Uma abordagem de aprendizado de máquina usando um Árvore de Decisão Potencializada (BDT) multiclasse é desenvolvida para distinguir candidatos a quark top verdadeiros ($t_{true}$) de fundo combinatório ($t_{QCD}$ e $t_{oth}$). BDTs separadas são treinadas para configurações fundidas (merged) e resolvidas, sabores de léptons e intervalos de $p_T$.
• Categorização de Eventos: Eventos selecionados são classificados em regiões mutuamente exclusivas baseadas na qualidade do tagging do quark top e do $Xbb$:
  • Regiões de Sinal (SRs): Eventos com tagging de top rigoroso (TopT) e tagging $Xbb$ rigoroso (XbbT), ou tagging de top frouxo (TopL) e tagging $Xbb$ rigoroso.
  • Regiões de Validação (VRs): Usadas para verificar a concordância entre dados e fundo (ex: TopT/XbbL, TopL/XbbL).
  • Regiões de Controle (CRs): Usadas para calibrar eficiências de tagging e taxas de erro de identificação (mistag rates) (ex: TopT/XbbV, LepT/XbbT).
• Análise Estatística: Um ajuste de máxima verossimilhança simultâneo é realizado na distribuição de massa invariante do candidato a quark $T$ reconstruído ($M_{\ell\nu bJ}$) através das SRs e VRs. Incertezas sistemáticas (teóricas e experimentais) são tratadas como parâmetros de nulidade (nuisance parameters). O método $CL_s$ é usado para estabelecer limites superiores.

Principais Contribuições

• Novo Canal de Decaimento: Este trabalho fornece os primeiros limites de exclusão para a produção única de um quark $T$ decaindo em um quark top e um novo bóson escalar neutro ($T \to t\phi$).
• Reconstrução Otimizada: A análise introduz um algoritmo de tagging de quark top especializado baseado em aprendizado de máquina (BDT) otimizado para topologias impulsionadas (boosted), melhorando significativamente a eficiência de identificação sobre métodos baseados em cortes (melhoria relativa de aproximadamente 30% em 6% de erro de identificação de fundo).
• Varredura de Massa Abrangente: A busca cobre uma ampla gama de massas de quark $T$ (1.3–3.0 TeV) e massas de bóson escalar (25–250 GeV).
• Interpretação do Higgs do SM: A análise também interpreta os resultados para o canal $T \to tH$, fornecendo restrições atualizadas para este modo de decaimento específico.

Resultados
Nenhum excesso significativo de eventos sobre o fundo esperado do Modelo Padrão foi observado. Consequentemente, limites superiores de nível de confiança de 95% (CL) foram estabelecidos sobre o produto da seção de choque de produção e fração de ramificação ($\sigma \times \mathcal{B}$).

• Canal $T \to t\phi$: Para um novo bóson escalar $\phi$, os limites observados em $\sigma \times \mathcal{B}(T \to t\phi \to t b\bar{b})$ variam entre 14.7 fb e 0.1 fb para massas de $T$ entre 1.3 e 3.0 TeV, dependendo da massa de $\phi$. Especificamente, para $m_\phi = 25$ GeV, valores maiores que 2.3 a 0.1 fb são excluídos para $m_T \in [1.0, 3.0]$ TeV. Para $m_\phi = 250$ GeV, valores maiores que 14.7 a 0.3 fb são excluídos para $m_T \in [1.3, 3.0]$ TeV.
• Canal $T \to tH$: Para o decaimento em um bóson de Higgs do SM, valores maiores que 100 a 1.0 fb são excluídos a 95% CL para $m_T$ entre 1.0 e 3.0 TeV.

Significância
O artigo afirma que estes resultados representam os primeiros limites de exclusão estabelecidos sobre a produção de um único quark $T$ decaindo em um quark top e um novo bóson escalar neutro. Além disso, para o canal de decaimento $T \to tH$, a análise fornece os melhores limites sobre seções de choque de produção até o momento para massas de quark $T$ acima de 2 TeV. Os resultados melhoram todas as buscas anteriores do CMS para produção única de $T$ no canal $tH$ para $m_T \ge 1.3$ TeV. A análise demonstra sensibilidade particular a grandes impulsos de Lorentz (Lorentz boosts) dos produtos de decaimento, tornando-a eficaz para cenários de quarks $T$ de alta massa.