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

Resumo Técnico: Busca por Produção de Pares de Quarks Vetoriais-como $T$ Decaindo em um Quark Top e uma Partícula de Spin-0 no Estado Final de Difotons

Problema e Motivação
Após a descoberta do bóson de Higgs em 2012, o foco da física de altas energias voltou-se para determinar se o Higgs é fundamental ou composto e para abordar o problema da hierarquia. Teorias como a composicionalidade parcial propõem a existência de Quarks Vetoriais-como (VLQs), especificamente parceiros do top ($T$), que se misturam com os férmions do Modelo Padrão (SM). Embora buscas anteriores tenham assumido amplamente que os VLQs decaem em partículas do SM (ex: $T \to tH, tZ, tW, bW$), modelos envolvendo composicionalidade frequentemente preveem escalares ou pseudoescalares exóticos adicionais ($S$). Em tais cenários, um parceiro do top poderia decair via $T \to St$, onde $S$ é uma nova partícula de spin-0. Se $S$ decair em partículas do SM, esses decaimentos em cascata representam uma topologia de busca não explorada anteriormente pelas colaborações ATLAS ou CMS. Esta análise visa o processo específico de produção de pares de VLQs ($pp \to T\bar{T}$) onde um $T$ decai via $T \to St \to t\gamma\gamma$ e o outro via $T \to St \to tX$, sendo $X$ qualquer estado final permitido ($\gamma\gamma, Z\gamma, WW, ZZ, t\bar{t}$).

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

• Seleção de Eventos: Os eventos são selecionados exigindo pelo menos dois fótons isolados com energia transversa $E_T > 38$ GeV e pseudorapidez $|\eta| < 2.47$ (excluindo a região de transição entre o barril e o endcap). É exigido pelo menos um jet com marcação de b (b-tagged jet). A massa invariante do sistema de difotons ($m_{\gamma\gamma}$) deve ser superior a 150 GeV para evitar a região de massa do bóson de Higgs.
• Discriminante Cinemático: O principal discriminante contra o fundo do Modelo Padrão é a soma escalar dos momentos transversos de todos os objetos visíveis (jets, léptons, fótons) mais o momento transversal ausente ($E_T^{\text{miss}}$), denotado como $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Esta variável é escolhida porque os produtos de decaimento de ressonâncias pesadas devem possuir grandes momentos transversos, enquanto os processos do SM povoam a extremidade inferior deste espectro.
• Modelagem de Sinal e Fundo:
  • Sinal: Simulado usando MadGraph5_aMC@NLO com Pythia 8 para o chuveamento de partons (parton showering). As amostras de sinal cobrem massas de $T$ ($m_T$) de 1000 a 1800 GeV e massas de $S$ ($m_S$) de 200 a 1200 GeV. A análise assume uma razão de ramificação (branching ratio) de 100% para $T \to St$.
  • Fundo: O fundo de difotons contínuos é estimado através de uma abordagem baseada em dados (data-driven). Regiões de Controle (CRs) são definidas em intervalos de menor $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ para fornecer templates de fundo. A forma do fundo nas Regiões de Sinal (SRs) é parametrizada por uma função exponencial, $f(m_{\gamma\gamma}) = N e^{-m_{\gamma\gamma}/\tau}$, com parâmetros ajustados aos dados.
• Análise Estatística: É realizada uma adequação de verossimilhança simultânea não binária (unbinned simultaneous likelihood fit) através de quatro Regiões de Sinal definidas por limiares crescentes de $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$. Incertezas sistemáticas, incluindo aquelas provenientes da modelagem do fundo (sinal espúrio), escala/resolução de energia do fóton e luminosidade, são incorporadas via parâmetros de nulidade (nuisance parameters).

Principais Contribuições

• Topologia de Busca Inovadora: Esta é a primeira busca do ATLAS para a produção de pares de VLQs que decaem através de uma partícula de spin-0 exótica para um estado final de difotons. Ela aborda uma lacuna em buscas anteriores de VLQ, que tipicamente assumiam decaimentos diretos para bósons do SM.
• Resultados Independentes de Modelo: Embora a busca seja motivada por modelos específicos de composicionalidade parcial, os resultados são apresentados em um volume fiducial definido por requisitos cinemáticos nos fótons. Isso permite que os limites sejam reinterpretados em uma ampla variedade de modelos fenomenológicos além do cenário específico $T \to St$.
• Espaço de Parâmetros Abrangente: A análise cobre uma ampla gama de massas ($m_T \in [1000, 1800]$ GeV, $m_S \in [200, 1200]$ GeV), excluindo apenas regiões cinematicamente suprimidas onde $m_S > m_T - m_t$.

Resultados

• Observação: Não é observado excesso significativo sobre o fundo esperado do Modelo Padrão em nenhuma das Regiões de Sinal. Os dados são consistentes com a hipótese de apenas fundo, com desvios permanecendo dentro de $2\sigma$.
• Limites de Exclusão: Limites superiores ao nível de confiança (CL) de 95% são estabelecidos para a seção de choque fiducial vezes a razão de ramificação, $\sigma_{\text{fid}}(pp \to T\bar{T}) \times \mathcal{B}(S \to \gamma\gamma) \times \mathcal{B}(S \to X)$, como função de $m_T$ e $m_S$.
• Interpretação do Modelo: Os resultados são interpretados dentro do arcabouço de um modelo específico de composicionalidade parcial (Ref. [61]). Neste modelo, assumindo massas degeneradas para os VLQs e para as partículas de spin-0, a análise exclui massas de $T$ abaixo de $m_T = 1620$ GeV para o cenário onde as partículas de spin-0 decaem em estados não fotônicos (o caso $2\gamma$, correspondendo a um $S \to \gamma\gamma$ e o outro para modos não fotônicos). Os limites de exclusão são mais fracos para cenários envolvendo mais fótons (ex: estados finais de $3\gamma$ ou $4\gamma$) devido a menores razões de ramificação ou aceitação.

Significância
O artigo reivindica significância primariamente como uma busca pioneira em um canal de decaimento inexplorado para Quarks Vetoriais-como. Ao visar a cascata $T \to St$ com $S \to \gamma\gamma$, a análise estende a sensibilidade das buscas de VLQ para cenários envolvendo escalares exóticos, que são previstos por modelos de Higgs composto, mas que eram anteriormente não restringidos pelo ATLAS. A ausência de um sinal observado permite à colaboração estabelecer as primeiras restrições sobre esta topologia específica, estreitando assim o espaço de parâmetros viável para modelos que preveem parceiros do top que decaem via novos mediadores de spin-0. Os resultados são apresentados com um alto grau de independência de modelo no volume fiducial, garantindo sua utilidade para futuras reinterpretações.