Search for single vector-like quark production in opposite-sign dilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS 合作组利用 138 fb⁻¹的 13 TeV 质子 - 质子对撞数据，首次对衰变为顶夸克和希格斯玻色子的单矢量类顶夸克（T）产生过程在相反符号双轻子末态中进行了搜索，未发现新物理证据，并将产生截面的 95% 置信度上限设定为在 600 GeV 处为 2.0 pb、在 1000 GeV 处为 0.1 pb。

要点

想象一下，位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子粉碎机。它将两束质子（物质的微小构建块）以接近光速的速度相互撞击。当它们碰撞时，撞击产生的能量可以短暂地转化为新的、重型的粒子，这些粒子在我们日常世界中并不存在。

本文是一份来自CMS 实验的报告，该实验是监视这些碰撞的巨型探测器之一。科学家们正在开展一场寻宝活动，寻找一种特定的“重型黄金”：一种被称为矢量类夸克的粒子，具体来说是顶夸克的重型版本，他们将其称为**"T"**。

以下是他们搜索故事的简单解释：

1. 神秘嘉宾：“矢量类”夸克

在我们对物理学的标准理解（标准模型）中，夸克以具有特定“手性”（左或右）的对形式存在。但物理学家怀疑可能存在一代不同的“第四代”夸克。这些被称为矢量类夸克。

将标准模型中的夸克想象成一双鞋子：一只左脚，一只右脚。它们是不同的。而矢量类夸克就像一只同时既是左脚又是右脚的鞋子。由于这种特殊性质，它可以极其沉重而不违反物理规则。如果这些粒子存在，它们可能有助于解释宇宙为何具有其现有的质量，并解决一些深奥的数学谜题。

2. 狩猎：寻找"T"夸克

科学家们正在寻找一位特定的重型嘉宾：T 夸克。他们并不是寻找它单独出现；他们寻找的是它被单独产生（一次一个），然后立即衰变（分解）成另外两样东西：

1. 一个标准的顶夸克（一种已知的重型粒子）。
2. 一个希格斯玻色子（赋予其他粒子质量的粒子）。

类比：想象一个沉重而不稳定的气球（T 夸克）在半空中爆裂。当它爆裂时，它不会仅仅消失；它会释放出两件特定的物品：一个沉重的保龄球（顶夸克）和一个发光的球体（希格斯玻色子）。科学家们想要捕捉到这次特定爆裂的碎片。

3. 线索：“相反符号双轻子”踪迹

当顶夸克和希格斯玻色子衰变时，它们会产生一片杂乱的碎片踪迹。科学家们专注于一种非常特定且罕见的碎片模式来寻找他们的 T 夸克：

• 两个轻子：他们寻找两个类似于电子或μ子的粒子（轻量级、高速运动的粒子）。
• 相反符号：其中一个必须是正电荷（+），另一个是负电荷（-）。
• 缺失能量：由于一些不可见的粒子（中微子）飞走了，探测器中会有一“缺失”的能量量。
• 喷注：他们还寻找来自重夸克的粒子流（喷注）。

隐喻：想象一个犯罪现场。科学家们正在寻找一组非常特定的脚印：一只左脚鞋印和一只右脚鞋印（两个轻子），它们朝向相反的方向，周围是一堆瓦砾（喷注），地板上有一个明显的缺口，那里有什么看不见的东西滑走了（缺失能量）。这种特定的组合就是 T 夸克衰变的“特征”。

4. 搜索：在噪音中筛选

LHC 产生了数十亿次碰撞。其中大多数是无聊的背景噪音——就像雨落在屋顶上一样。科学家们需要过滤掉雨水，以找到那一颗罕见的钻石。

• 他们分析了2016 年至 2018 年的数据，这就像查看一个拥有 138 本“书”（称为反飞靶的数据单位）的巨大图书馆。
• 他们使用强大的计算机算法来重建碰撞，试图从碎片中拼凑出"T"粒子。
• 他们计算了“背景噪音”（标准物理）应该是什么样子的，并将其与他们实际看到的内容进行了比较。

5. 结果：尚未找到钻石

在筛选了所有这些数据后，科学家们没有发现T 夸克的证据。

• 他们找到的“钻石”（具有特定特征的事件）数量与他们从“雨水”（标准背景过程）中预期的完全一致。
• 没有出现任何表明新粒子的意外峰值或“过量”。

6. 结论：划定界限

即使他们没有发现该粒子，这次搜索也并非失败。这是一次成功的“筑篱”行动。

• 由于他们没有发现 T 夸克，他们现在可以说：“如果这种粒子存在，它必须比我们想象的更重，或者它比我们希望的更难产生。”
• 他们设定了一个找到该粒子可能性的“界限”。他们排除了质量在600 到 1200 GeV之间（特定的重量范围）的 T 夸克的存在。
• 这是第一次有人针对这种特定的“相反符号双轻子”模式寻找这种特定的粒子。

总结：
CMS 团队通过撞击质子并寻找一种非常特定且罕见的碎片模式，寻找一种重型、奇特的粒子（T 夸克）。他们没有找到它。这意味着，如果这种粒子存在，它正隐藏在他们用这种特定搜索无法触及的更重、更难以捉摸的范围内。狩猎仍在继续，但关于它不在哪里的地图刚刚变得更加详细了。

技术摘要

技术摘要：寻找相反符号双轻子末态中的单矢量类夸克产生

问题与动机
矢量类夸克（VLQs）是假设的费米子，其左手和右手手征分量在标准模型（SM）电弱群下具有相同的变换性质。与手征夸克不同，VLQs 可以拥有不依赖于标准模型希格斯玻色子的规范不变质量项，使其能够成为能够规避当前希格斯耦合约束的重态。它们在理论上被提出作为解决层级问题的潜在方案，并用于解释观测到的卡比博 - 小林 - 益川（CKM）矩阵幺正性偏离的迹象。在超出标准模型的物理模型中，VLQs 可以作为单态、二重态或三重态出现。本文聚焦于带电量为 $+2/3$ 的矢量类顶夸克（$T$）的单产生过程，具体为通过 $t$ 道 $W$ 玻色子交换的 $pp \to Tbq$ 过程。该研究针对 $T \to tH$ 衰变链，其中顶夸克强子衰变，希格斯玻色子主要衰变为一对 $W$ 玻色子（$H \to WW$），随后 $W$ 玻色子发生轻子衰变，产生相反符号（OS）双轻子末态。

方法
分析利用了 CMS 实验在 2016–2018 运行期间收集的质心能量为 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子 - 质子对撞数据，对应的积分亮度高达 138 fb$^{-1}$。

• 事例选择：搜索针对包含两个相反符号轻子（电子或缪子）、至少三个喷注（包括至少一个 $b$ 标记喷注）以及缺失横向动量（$p^{\text{miss}}_T$）的末态。选择要求恰好两个具有 $p_T > 35$ GeV（电子）或 $p_T > 30$ GeV（缪子）且 $|\eta| < 2.5$（电子）或 $2.4$（缪子）的相反符号轻子。喷注必须满足$p_T > 30$ GeV 且 $|\eta| < 2.5$。为了抑制低质量 Drell–Yan（DY）背景，要求轻子对的不变质量（$m_{\ell\ell}$）小于 60 GeV。
• 信号重建：主要的鉴别变量是重建的 $T$ 候选者的不变质量（$m_{tH}$）。顶夸克由一个 $b$ 标记喷注和一个 $W$ 玻色子候选者（由两个喷注形成，其不变质量接近世界平均 $W$ 质量）重建。希格斯玻色子由两个轻子和缺失横向动量重建。由于 $H \to WW \to \ell\ell'\nu\nu$ 衰变中存在两个中微子，采用了部分重建方法。假设中微子对与轻子对共线，估算中微子的纵向动量，并利用模拟信号事件中的平均值（$\langle m_{\nu\nu} \rangle = 30$ GeV）近似中微子对的不变质量。
• 背景估计：主要背景是顶夸克对（$t\bar{t}$）产生和 DY 产生。信号区中的背景形状直接使用观测数据，通过参数化函数（$m_{tH}$ 对数的二阶多项式的指数）进行估计。这种方法最大限度地减少了对蒙特卡洛（MC）模拟归一化的依赖。选择包括对顶夸克和希格斯候选者横向动量标量和（$S_T$）的动态阈值，该阈值定义为 $m_{tH}$ 的函数，以保持背景形状平滑下降。
• 统计分析：对跨越十二个类别（三种轻子味组合 $\times$ 四个数据采集时期）的 $m_{tH}$ 分布执行分箱最大似然拟合。系统误差，包括与喷注能量标度/分辨率、$b$ 标记、亮度和背景参数化相关的误差，被视为干扰参数处理。

主要贡献

• OS 双轻子道的首次搜索：这项工作展示了在 LHC 上利用相反符号双轻子末态进行 $T \to tH$ 道单 $T$ 产生的首次搜索。此前 CMS 在该道的分析主要集中在完全强子衰变的顶夸克或衰变为双光子或 $b$ 夸克对的希格斯玻色子。
• 部分重建技术：分析针对 $H \to WW \to \ell\ell\nu\nu$ 衰变模式实施了一种特定的运动学重建方法，使得尽管存在未观测到的中微子，仍可使用 $m_{tH}$ 变量。
• 模型无关的极限：鉴于单产生截面依赖于与标准模型夸克和电弱玻色子的耦合，结果以产生截面与分支比的乘积 $\sigma(pp \to T)\mathcal{B}(T \to tH)$ 的上限形式呈现，而非仅针对质量。

结果
在测试的 600 至 1200 GeV $T$ 质量范围内，数据中未观察到超出预期标准模型背景的显著事例过剩。因此，针对 $\sigma(pp \to T)\mathcal{B}(T \to tH)$ 设定了 95% 置信水平（CL）的上限。

• 观测到的上限范围从 600 GeV $T$ 质量处的 2.0 pb 到 1000 GeV 处的 0.1 pb。
• 这些上限在不确定度带内与预期上限一致。
• 电子 - 缪子（$e\mu$）道提供了最强的约束，这归因于其高分支比以及不存在 DY 背景。
• 分析假设 $T$ 共振采用窄宽度近似，且宽度与质量比（$\Gamma_T/M_T$）为 5%。

意义
该论文声称，通过将分析扩展到 OS 双轻子末态，此次搜索补充了以往针对单 $T$ 矢量类夸克产生的搜索。通过探测该特定拓扑结构下的 $T \to tH$ 衰变模式，该分析覆盖了 LHC 上矢量类夸克搜索参数空间中此前未探索的区域。结果针对 600 至 1200 GeV 之间的 $T$ 质量，对产生截面与分支比的乘积提供了约束，为检验标准模型和寻找新物理现象的更广泛努力做出了贡献。