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

Resumo Técnico: Busca por Física BSM na Produção de Quatro e Três Quarks Top

Problema e Motivação
O quark top, como a partícula elementar mais pesada do Modelo Padrão (SM), desempenha um papel crítico na compreensão da quebra de simetria eletrofraca. Processos de produção raros envolvendo múltiplos quarks top, especificamente a produção simultânea de quatro quarks top ($tttt$) e três quarks top em associação com um bóson $W$ ou um quark leve ($tttW$, $tttq$, coletivamente $ttt$), servem como sondas sensíveis para a física além do Modelo Padrão (BSM). Esses processos são previstos para serem aumentados em vários cenários BSM, incluindo supersimetria, composicionalidade, dimensões extras, setores de Higgs estendidos e modelos envolvendo matéria escura ou partículas do tipo axion. Além disso, modificações no acoplamento Yukawa do quark top e a presença de ressonâncias pesadas decaindo para quarks top podem alterar significamente as seções de choque e as distribuições cinemáticas desses eventos raros. Embora análises anteriores pelas colaborações ATLAS e CMS tenham observado a produção de $tttt$, este artigo visa fornecer uma interpretação abrangente dos dados de $tttt$e$ttt$ dentro de três frameworks BSM específicos: a Teoria de Campo Eficaz do Modelo Padrão (SMEFT), buscas por ressonâncias pesadas tofilicas estreitas e a extração da estrutura CP do acoplamento Yukawa do quark top.

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

• Seleção de Eventos: Os eventos são selecionados exigindo exatamente dois léptons de mesmo sinal, três ou quatro léptons rigorosos (elétrons ou múons), nenhum outro lépton frouxo e pelo menos dois jets com pelo menos um jet com marcação de $b$ ($b$-tagged). A seleção é categorizada em regiões de sinal (SRs) exclusivas e regiões de controle (CRs) baseadas no número de jets ($N_j$), $b$-jets ($N_b$), a soma escalar dos momentos transversais dos jets ($H_T$) e a presença de candidatos ao bóson $Z$.
• Modelagem de Sinal e Background: O sinal $tttt$ é simulado em próxima ordem ao mais alto nível (NLO) em QCD, enquanto a produção $ttt$ é simulada em NLO usando um esquema de remoção de diagrama para evitar sobreposição com $tttt$. Os backgrounds, incluindo $ttZ$, $ttW$, $ttH$ e fontes de léptons não prontos, são estimados usando uma combinação de simulação e métodos baseados em dados (por exemplo, o método da razão "tight-to-loose").
• Discriminação: Árvores de Decisão de Reforço (BDTs) multiclasse são empregadas para distinguir entre o sinal $tttt$, a produção de top associada ($ttX$) e os backgrounds de $t\bar{t}$.
• Estratégia de Ajuste (Fit): Ajustes de verossimilhança são realizados nas distribuições do score do BDT ou na distribuição de $H_T$, dependendo do cenário BSM específico sendo testado. A distribuição $H_T$ é utilizada para SMEFT e buscas de ressonância devido à sua sensibilidade a aumentos de alta energia, enquanto o score do BDT é usado para a medição da seção de choque do SM e extração do acoplamento Yukawa. As incertezas sistemáticas, incluindo aquelas relacionadas à luminosidade, desempenho do detector e modelagem teórica (variações de escala, PDFs), são incorporadas como parâmetros de incerteza (nuisance parameters).

Principais Contribuições
Este trabalho apresenta a primeira interpretação simultânea dos dados de produção $tttt$e$ttt$ dentro de um único framework de análise para três distintos cenários BSM:

1. Interpretação SMEFT: Restrições são derivadas sobre seis coeficientes de Wilson de dimensão-6 ($c_{tt}$, $c^{(1)}_{QQ}$, $c^{(1)}_{Qt}$, $c^{(8)}_{Qt}$, $c^{\text{Re}}_{tH}$ e $c^{\text{Im}}_{tH}$) que modificam as interações de quatro quarks pesados e top-Higgs. Esta é a primeira análise otimizada para a produção $tttt$ que considera esses seis operadores simultaneamente.
2. Busca de Ressonância Pesada: Limites de exclusão são estabelecidos em seis modelos simplificados de ressonâncias pesadas tofilicas estreitas (bósons escalares, pseudoscalares e vetoriais em estados de singlete de cor e octete de cor) com massas variando de 400 GeV a 1,6 TeV.
3. Extração do Acoplamento Yukawa: O acoplamento Yukawa do quark top é extraído, parametrizando as contribuições CP-par ($\kappa_t$) e CP-ímpar ($\tilde{\kappa}_t$), utilizando uma parametrização que inclui termos quárticos para capturar efeitos além da aproximação linear de SMEFT.

Resultados

• Seção de Choque SM: A seção de choque medida para a produção $tttt$é$\sigma(tttt) = 18,9^{+4,4}_{-4,0}$ fb, o que é consistente com a previsão do SM de $13,4^{+1,0}_{-1,8}$ fb dentro de aproximadamente 1,3 desvios padrão. Uma forte anticorrelação ($\rho = -0,98$) é observada entre as seções de choque de $tttt$e$ttt$, confirmando que a análise experimental não consegue distinguir entre os dois processos nas regiões mais sensíveis.
• Restrições SMEFT: Os dados são estatisticamente compatíveis com a expectativa do SM (coeficientes de Wilson zero). A análise fornece as primeiras restrições sobre a parte imaginária do coeficiente de Wilson top-Higgs ($c^{\text{Im}}_{tH}$) a partir de uma análise de produção $tttt$. Os intervalos de exclusão observados para operadores de quatro quarks pesados são 12–25% mais rigorosos do que as medições de EFT multileptônicas anteriores do CMS e 64–89% mais rigorosos do que as medições de seção de choque de $tttt$ do ATLAS.
• Exclusões de Ressonância: Nenhum excesso significativo é observado. Limites de exclusão são estabelecidos na força de acoplamento de ressonâncias tofilicas como uma função da massa. Para modelos de octete de cor, cenários físicos são excluídos para massas abaixo de 1,4–1,6 TeV. Para modelos de singlete de cor, os limites são geralmente mais fracos, com exclusões físicas ocorrendo apenas para massas abaixo de 600–800 GeV.
• Acoplamento Yukawa: Os modificadores do acoplamento Yukawa extraídos são consistentes com a expectativa do SM ($\kappa_t = 1, \tilde{\kappa}_t = 0$) ao nível de um desvio padrão. O intervalo de nível de confiança de 95% observado para $|\kappa_t|$ (com $\tilde{\kappa}_t=0$ fixo) é $0,7 < |\kappa_t| < 1,4$, o que é significativamente mais rigoroso do que as restrições anteriores derivadas exclusivamente da produção $tttt$.

Significância
O artigo reivindica significância principalmente através do tratamento simultâneo da produção $tttt$e$ttt$ como processos de sinal, reconhecendo sua indistinguibilidade em assinaturas experimentais atuais e seus padrões de modificação semelhantes sob cenários BSM. Ao empregar observáveis otimizados ($H_T$ para sensibilidade de alta energia e scores de BDT para pureza) e um framework de ajuste unificado, a análise alcança restrições melhoradas sobre os operadores SMEFT em comparação com medições individuais anteriores. O trabalho fornece as primeiras restrições simultâneas sobre seis coeficientes de Wilson específicos em uma análise otimizada para $tttt$ e oferece os limites mais rigorosos até o momento para o acoplamento Yukawa do quark top derivados de produção multi-top, ao mesmo tempo em que estabelece limites de exclusão para uma ampla gama de modelos de ressonância pesada tofilica. Os resultados são estatisticamente compatíveis com o Modelo Padrão, reforçando o entendimento atual da física do quark top enquanto estabelecem fronteiras precisas para potenciais novas físicas.