Search for a new neutral gauge boson produced in association with one or two b jets and decaying into a pair of muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumo Técnico: Busca por um Novo Bóson de Gauge Neutro ($Z'$) Produzido em Associação com Jets $b$ e Decaindo em Dimuons

Problema e Motivação
O Modelo Padrão (SM) da física de partículas falha em explicar vários fenômenos observados, incluindo as massas de neutrinos, a assimetria matéria-antimatéria e a matéria escura. Anomalias recentes nas taxas de decaimento de mésons $B$, especificamente nas razões $R(K^*)$ e $R(D^*)$, sugeriram potenciais violações da universalidade de sabor leptônico em transições $b \to s\ell\ell$ e $b \to c\ell\nu_\ell$. Embora medições atualizadas do LHCb tenham aliviado algumas tensões nas transições $b \to s\ell\ell$, modelos teóricos que propõem um novo bóson de gauge neutro ($Z'$) com acoplamentos não universais a férmions de terceira geração permanecem viáveis. Especificamente, modelos envolvendo um grupo de gauge $U(1)_X$ espontaneamente quebrado com cargas dependentes de família sugerem um bóson $Z'$ que se acopla preferencialmente a quarks bottom e múons.

Buscas anteriores por bósons $Z'$ no LHC concentraram-se amplamente na produção inclusiva via fusão de quarks leves ou em regiões de alta massa ($>350$ GeV). No entanto, essas buscas frequentemente assumem acoplamentos universais de sabor, o que pode não se aplicar a modelos que abordam as anomalias da física de $B$. Há uma necessidade específica de sondar a região de baixa massa ($125–350$ GeV) para bósons $Z'$ produzidos via fusão de quarks bottom-bottom ($b\bar{b}$) ou bottom-strange ($b\bar{s}$), pois este modo de produção é potencializado em modelos com acoplamentos não universais, mas tem sido menos restringido por buscas inclusivas.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante o LHC Run 2 (2016–2018), correspondendo a uma luminosidade integrada de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Modelo de Sinal: A busca visa um ressonância $Z'$ de spin-1 estreita (largura $<1\%$ de sua massa) decaindo em um par dimuon ($\mu^+\mu^-$). O $Z'$ é produzido em associação com um ou dois jets, onde pelo menos um jet é identificado como $b$-tag. O modelo de referência assume acoplamentos exclusivos para múons e neutrinos de múon no setor leptônico e quarks bottom (e potencialmente quarks strange via correntes neutras que mudam o sabor, $\delta_{bs}$) no setor de quarks.
• Seleção de Eventos: Os eventos são selecionados exigindo exatamente dois léptons de sinal oposto e mesma cor (múons) com $p_T > 53$ GeV e $|\eta| < 2.4$. A análise categoriza os eventos com base na multiplicidade de jets (1-jet ou 2-jets) e no status de $b$-tagging. As regiões de sinal (SRs) exigem pelo menos um jet com $b$-tag. As regiões de controle (CRs) são definidas usando pares de dielétrons ou jets de quarks leves/glúons para estimar os backgrounds.
• Estimativa de Background: Devido a discrepâncias observadas entre simulação e dados em medições de seção de choque de Drell-Yan mais $b$-jet, a estimativa de background baseia-se inteiramente em métodos baseados em dados usando uma técnica de matriz ABCD.
  • O método utiliza duas variáveis não correlacionadas: sabor leptônico (múon vs. elétron) e status de $b$-tagging ($b$-tagged vs. não $b$-tagged).
  • O rendimento do sinal na região de dimuon com $b$-tag é previsto usando os rendimentos de três regiões de controle: dieletrons com $b$-tag, dimuons sem $b$-tag e dieletrons sem $b$-tag.
  • Fatores de transferência derivados de regiões sem $b$-tag corrigem as diferenças de aceitação e resolução entre elétrons e múons.
• Incertezas Sistemáticas: As incertezas incluem aquelas provenientes da eficiência de gatilho (trigger), reconstrução/identificação de léptons, escala/resolução de energia de jet, eficiência de $b$-tagging, modelagem de pileup e funções de distribuição de partons (PDFs). Uma incerteza específica é atribuída ao fechamento do método ABCD com base em variações de ajuste nas regiões de controle.
• Análise Estatística: Um ajuste de máxima verossimilhança simultâneo é realizado através dos anos de coleta de dados e categorias de multiplicidade de jets. Limites são estabelecidos sobre o produto da seção de choque, fração de ramificação para dimuons, aceitação e eficiência ($\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$) usando a aproximação assintótica ao nível de confiança (CL) de 95%.

Principais Contribuições

• Primeiros Resultados na Faixa de Baixa Massa: Este artigo apresenta os primeiros limites específicos para a produção de $Z'$ via fusão de quark bottom na faixa de massa de $125–200$ GeV.
• Restrições Estritas à Fusão de $b$: Para a faixa de massa de $200–350$ GeV, os resultados fornecem as restrições mais rigorosas até o momento sobre modos de produção de $Z'$ envolvendo fusão de quark bottom ($b\bar{b}$ e $b\bar{s}$), complementando buscas inclusivas de $Z'$.
• Apresentação Independente de Modelo: Os resultados são fornecidos de maneira independente de modelo, oferecendo valores de aceitação e eficiência dependentes do processo para sete categorias de produção distintas (ex: $0b(b-s)$, $0b(b-b)$, $1b$, $1s$, $1b+1s$, $2b$, $2s$). Isso permite a reinterpretação para vários modelos teóricos além do benchmark específico.
• Background Baseado em Dados: A análise evita a dependência de simulações de Monte Carlo potencialmente imprecisas para os backgrounds dominantes, empregando uma estratégia de estimativa ABCD robusta e totalmente baseada em dados.

Resultos

• Observação: Nenhuma desviação significativa da hipótese de apenas background foi observada nos dados. As distribuições de dados observados nas regiões de sinal são consistentes com as previsões de background ABCD dentro das incertezas.
• Limites de Exclusão: Limites superiores ao nível de 95% CL sobre o produto $\sigma \times \mathcal{B} \times A \times \epsilon$ foram estabelecidos para massas de $Z'$ entre 125 e 350 GeV. Os limites de seção de choque excluídos variam de aproximadamente $0.2$a$2$ fb.
• Significância Local: Uma desviação local de $3.1$ desvios padrão foi observada na região de sinal de 1-jet (SR^\mu_\mu_b) em uma massa de $230$ GeV. No entanto, após considerar o efeito de busca em todo o espectro (look-elsewhere effect) em ambas as regiões de sinal, a significância global é reduzida para $0.5$ desvio padrão, consistente com uma flutuação de background.
• Aceitação e Eficiência: Tabelas detalhadas (Tabelas 5–11) fornecem a aceitação vezes a eficiência para cada categoria de produção e região de sinal, facilitando a reinterpretação destes limites para modelos teóricos específicos.

Significância
O artigo afirma que estes resultados representam um complemento crucial às buscas inclusivas existentes de $Z'$. Ao visar o mecanismo de produção específico de fusão de quark bottom, a análise sonda uma região do espaço de parâmetros que é menos restringida por modelos que assumem universalidade de sabor. Os resultados efetivamente excluem ou restringem modelos específicos de $Z'$ que propõem acoplamentos não universais a férmions de terceira geração na faixa de massa de $125–350$ GeV, particularmente aqueles motivados pelas anomalias de física de $B$. A provisão de limites independentes de modelo e fatores de aceitação garante que estes resultados permaneçam valiosos para testar futuros desenvolvimentos teóricos na física além do Modelo Padrão.