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

技术摘要：寻找单产生的矢量型 T 夸克衰变为顶夸克与中性标量玻色子

问题与动机
本文研究了电荷为 $2e/3$ 的矢量型夸克（VLQ），记作 $T$，其单产生产生并衰变为顶夸克（$t$）和中性标量玻色子（$\phi$）的过程。该标量玻色子被视为标准模型（SM）中的希格斯玻色子（$H$）或一种新的超越标准模型（BSM）的标量玻色子（$\phi$）。虽然精密测量限制了第四代手征夸克的存在，但矢量型夸克仍是解决层级问题等各种标准模型扩展理论中的一个可行预测。与手征夸克不同，矢量型夸克的质量独立于汤川耦合而获得。以往的搜索主要集中在对产生或涉及 $Wb$、$Zt$以及$tH$（其中$H \to$双光子或全强子衰变）的衰变通道中的单产生过程。本分析针对特定的衰变拓扑$T \to t\phi$（其中$\phi \to b\bar{b}$）在轻子+喷注末态中的情况，这是一个此前尚未被探索过的单$T$ 产生于新中性标量玻色子的通道。

方法论
本分析利用了 CMS 实验在 2016–2018 年间收集的质心能量为 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子-质子碰撞数据，对应于 138 fb$^{-1}$ 的积分亮度。

• 信号拓扑： 信号特征为与一个底夸克结合产生的单个 $T$ 夸克（$bTq$产生）。$T$衰变为$t\phi$，其中顶夸克发生轻子衰变（$t \to Wb \to \ell\nu b$），标量玻色子衰变为底-反底对（$\phi \to b\bar{b}$）。末态包含一个隔离轻子（$e$或$\mu$）、缺失横动量（$p_T^{miss}$）以及多个喷注，包括一个前向轻味喷注和一个被加速（boosted）的 $b\bar{b}$ 系统。
• 事件重建：
  • 标量玻色子 ($\phi$)： 重建为一个大半径喷注（AK8，$R=0.8$），且满足 $p_T > 500$ GeV。采用了一种质量解耦（MD）深度神经网络，即 PARTICLENET-MD，用于标记源自 $X \to b\bar{b}$ 衰变的喷注（$Xbb$ 标记器）。
  • 顶夸克： 通过一个轻子、一个 AK4 喷注和 $p_T^{miss}$ 进行重建。开发了一种使用多类提升决策树（BDT）的机器学习方法，用于区分真实的顶夸克候选体（$t_{true}$）与组合背景（$t_{QCD}$ 和 $t_{oth}$）。针对合并配置（merged）、分辨配置（resolved）、轻子种类以及 $p_T$ 范围分别训练了独立的 BDT。
• 事件分类： 被选中的事件根据顶夸克和 $Xbb$ 标记质量被分类到互斥区域：
  • 信号区 (SRs)： 具有紧致顶夸克标记（TopT）和紧致 $Xbb$ 标记（XbbT）的事件，以及松弛顶夸克标记（TopL）和紧致 $Xbb$ 标记的事件。
  • 验证区 (VRs)： 用于验证数据与背景的一致性（例如 TopT/XbbL, TopL/XbbL）。
  • 控制区 (CRs)： 用于校准标记效率和误标记率（例如 TopT/XbbV, LepT/XbbT）。
• 统计分析： 在所有 SRs 和 VRs 上对重建的 $T$ 夸克候选体的不变质量分布进行同步极大似然拟合。系统不确定性（理论和实验）被处理为干扰参数（nuisance parameters）。使用 $CL_s$ 方法来设定上限。

主要贡献

• 新颖的衰变通道： 本工作提供了对单产生 $T$ 夸克并衰变为顶夸克和新中性标量玻色子（$T \to t\phi$）过程的首个排除极限。
• 优化的重建： 本分析引入了一种专门的基于机器学习的顶夸克标记算法（BDT），该算法针对被加速拓扑进行了优化，显著提高了识别效率（在 6% 背景误识别率下，相对于基于截断的方法有约 30% 的相对提升）。
• 全面的质量扫描： 该搜索覆盖了广泛的 $T$ 夸克质量范围（1.3–3.0 TeV）和标量玻色子质量范围（25–250 GeV）。
• 标准模型希格斯解释： 本分析还对 $T \to tH$ 通道进行了结果解释，为该特定衰变模式提供了更新的约束。

结果
未观察到相对于预期标准模型背景的显著过剩。因此，在 95% 置信水平（CL）下，对产生截面与分支比之积（$\sigma \times \mathcal{B}$）设定了上限。

• $T \to t\phi$ 通道： 对于新标量玻色子 $\phi$，对于 $T$ 质量在 1.3 至 3.0 TeV 之间的观测到的 $\sigma \times \mathcal{B}(T \to t\phi \to t b\bar{b} )$ 上限随 $\phi$ 质量的变化在 14.7 fb 至 0.1 fb 之间。具体而言，当 $m_\phi = 25$ GeV 时，对于 $m_T \in [1.0, 3.0]$ TeV，排除的值大于 2.3 至 0.1 fb。当 $m_\phi = 250$ GeV 时，对于 $m_T \in [1.3, 3.0]$ TeV，排除的值大于 14.7 至 0.3 fb。
• $T \to tH$ 通道： 对于衰变为标准模型希格斯玻生的过程，在 $m_T$ 为 1.0 至 3.0 TeV 之间，在 95% CL 下排除的值大于 100 至 1.0 fb。

重要性
论文声称，这些结果代表了对单产生 $T$ 夸克并衰变为顶夸克和新中性标量玻色子的首次排除极限。此外，对于 $T \to tH$ 衰变通道，该分析为 $T$ 夸克质量在 2 TeV 以上的情况提供了迄今为止最好的产生截面限制。对于 $m_T \ge 1.3$ TeV 的情况，该分析的结果改进了以往所有的 CMS 单 $T$ 产生 $tH$ 通道的搜索。该分析展示了对衰变产物的大洛伦兹加速（Lorentz boost）具有特别的敏感性，使其在处理高质量 $T$ 夸克情景时非常有效。