Search for ttbar resonances in final states with exactly one or two leptons using 140 fb$^{-1}$ of pp collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS experiment

技术摘要：寻找具有恰好一个或两个轻子的 $t\bar{t}$ 共振态

问题与动机
本文展示了对衰变为顶-反顶（$t\bar{t}$）夸克对的重共振态的搜索，这类过程由各种旨在解决如电弱与普朗克尺度之间层级问题等开放问题的标准模型（SM）扩展所预言。该分析针对自旋-1 和自旋-2 共振态，具体包括 $Z'$ 玻色子（自旋-1，颜色单态）、卡鲁扎-克莱因（KK）引力子（自旋-2，颜色单态）以及 KK 胶子（自旋-1，颜色八重态）。虽然 ATLAS 和 CMS 先前的搜索已经覆盖了全强子末态和单轻子末态，且 CMS 已包含了双轻子末态，但本研究代表了 ATLAS 首次在双轻子通道中针对这些特定共振态进行的搜索。此外，本研究利用了完整的 Run 2 数据集（140 fb$^{-1}$），通过增强的重建技术和验证区域的引入，改进了以往 36 fb$^{-1}$ 的分析。

方法论
分析利用了在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下由 ATLAS 探测器采集的质子-质子碰撞数据。搜索重点关注两种末态：

1. 1-轻子通道： 一个顶夸克通过半轻子方式衰变（$t \to bW \to b\ell\nu$），另一个通过强子方式衰变（$t \to bW \to bqq'$）。
2. 2-轻子通道： 两个顶夸克均通过轻子方式衰变（$t \to bW \to b\ell\nu$）。

事件选择要求具有恰好一个或两个瞬发电子或μ子、较大的缺失横向动量（$E_T^{miss}$），以及至少两个喷注，其中至少一个被识别为 $b$-喷注。

• 事件分类：

  • 在 1-轻子通道 中，根据强子衰变顶夸克的洛伦兹增益（Lorentz boost），将事件分为“合并”（merged）和“分辨”（resolved）拓扑结构。对于高质量（$m_{t\bar{t}} > 2$ TeV）情况，衰变产物会合并为一个单一的大半径喷注，使用深度神经网络（DNN）顶夸克标记器进行识别。分辨拓扑结构则需要至少四个小半径喷注。这些类别根据 $b$-标记数量（1b 或 2b）和角变量（$\Delta\eta$）进一步细分为正交的信号区和验证区。
  • 在 2-轻子通道 中，根据两个轻子之间的方位角差（$\Delta\phi_{\ell\ell}$）将事件分为五个区域，以优化对自旋-1 共振态的灵敏度。通过伪快度差（$\Delta\eta_{\ell\ell}$）定义了一个验证区。

• 背景估计：

  • 主要背景——标准模型 $t\bar{t}$ 产生，使用具有 NLO 精度并经过 NNLO QCD + NLO EW 微分预测修正的蒙特卡洛（MC）模拟（Powheg Box v2 + Pythia 8）进行建模。
  • $W/Z$+jets 和单顶产生背景使用 MC（Sherpa, Powheg）进行建模，并使用数据驱动的标度因子（例如 $W$+jets 的电荷不对称性）进行修正。
  • “伪造”（fakes）背景（非瞬发轻子或被误识别为轻子的喷注）在 1-轻子通道中使用数据驱动的矩阵法进行估计。
  • 在 2-轻子通道中，$Z$+jets 背景形状通过源自 $Z$ 富集控制区的重加权程序进行修正。

• 统计分析：
  在所有信号区（1-轻子通道有 3 个，2-轻子通道有 5 个）中，对重建的 $t\bar{t}$ 不变质量（1-轻子通道使用 $m_{t\bar{t}}$；2-轻子通道使用两个轻子和两个 $b$-喷注的不变质量 $m_{\ell\ell bb}$）进行同步的分箱剖面似然拟合（binned profile-likelihood fit）。系统不确定度（实验和理论）作为干扰参数进行处理。

主要贡献

• 首次 ATLAS 双轻子搜索： 这是 ATLAS 首次在 $t\bar{t}$ 共振态搜索中包含双轻子通道，补充了全强子和单轻子搜索。
• 完整 Run 2 数据集： 本分析利用了 2015–2018 年间完整的 140 fb$^{-1}$ 数据集，与以往 36 fb$^{-1}$ 的分析相比，显著提升了统计能力。
• 先进重建技术： 使用基于 DNN 的顶夸克标记器处理合并拓扑结构，以及改进的分辨拓扑结构中的 $t\bar{t}$ 重建，增强了在整个质量范围内的灵敏度。
• 全面的背景验证： 专门验证区的引入使得在最终拟合前能够对标准模型 $t\bar{t}$ 背景建模进行稳健的验证。

结果

• 观测结果： 在整个探测的不变质量谱（0.4 TeV 至 5.0 TeV）中，未观察到与标准模型预测的显著偏差。数据与仅背景假设一致，拟合优度概率为 95%。
• 排除极限： 对基准模型的产生截面乘以分支比（$\sigma \times \mathcal{B}$）设定了 95% 置信水平（CL）的上界：
  • $Z'_{TC2}$（自旋-1，窄宽度）： 排除质量上限分别为 4.2 TeV（3% 宽度）和 3.65 TeV（1.2% 宽度）。对于 $m_{t\bar{t}} < 1.5$ TeV，这些是迄今为止最严格的极限。
  • $G_{KK}$（自旋-2，窄宽度）： 排除质量上限为 1.3 TeV。这代表了 $t\bar{t}$ 衰减通道中迄今为止最强的极限，尽管双玻色子搜索提供了更强的质量排除。
  • $g_{KK}$（自旋-1，宽宽度，$\Gamma/m = 30\%$）： 排除质量上限为 4.1 TeV，为该基准模型设定了迄今为止最强的极限。

意义
论文声称这些结果在广泛的模型范围内增强了现有的排除极限，这些模型预言了衰变为顶夸克对的重共振态。虽然对于 $m_{t\bar{t}} > 4$ TeV 的 $Z'_{TC2}$，全强子 ATLAS 搜索仍然具有更高的灵敏度，但目前的分析在其他衰变通道中提供了补充的灵敏度，并为 $g_{KK}$ 和 $G_{KK}$ 信号在 $t\bar{t}$ 通道中设定了迄今为止最严格的约束。双轻子通道的纳入和完整 Run 2 数据集的使用，标志着在顶夸克部门进行全面新物理搜索的重要一步。