Search for single production of a vector-like B' quark decaying to a top quark and a W boson in the single-lepton final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS 合作组利用 138 fb$^{-1}$ 的数据，展示了在 13 TeV 质心能量的质子-质子碰撞中，对衰变为一个顶夸克和一个 W 玻色子的矢量类 B' 夸克的单产量的搜索，这为质量在 0.8 至 1.23 TeV 之间的窄宽度单态 B' 夸克的产生设定了迄今为止最严格的限制。

要点

想象一下大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的“粒子粉碎机”。它以接近光速的速度将微小的质子相互射向对方，产生一场混乱的碎片爆炸。CMS实验（LHC的一个探测器）的物理学家们就像是在这些碎片中搜寻线索的侦探，寻找一个根据我们现有的物理学规则手册——即标准模型（Standard Model）——而不应该存在的、非常特定且罕见的证据。

这篇论文关于寻找一种被称为**矢量型B'夸克（Vector-Like B' Quark）**的“幽灵”粒子。

谜团：为什么要寻找这种粒子？

我们现有的规则手册（标准模型）运行得很好，但它有一个缺陷。为了解释希格斯玻色子（赋予其他粒子质量的粒子）为何具有目前的重量，该模型需要一些非常微妙且不自然的调整。物理学家怀疑自然界中存在着一些“隐藏的助手”来修复这个缺陷。其中一个助手可能就是一种沉重的、“矢量型”的夸克。

把标准模型中的夸克想象成一支球员队伍，其中的一些球员是左撇子，另一些是右撇子。而“矢量型”夸克是一种新型的球员，他们是“左右开弓”的（同时具备左手性和右手性）。如果这些粒子确实存在，它们很可能非常重且难以被发现。

搜寻：他们是如何寻找的？

科学家们收集了从2016年到2018年的数据，通过碰撞质子产生了138次（以“亮度”来衡量，这是衡量他们观察到的碰撞次数的一种度量）。他们正在寻找一种特定的情景：

1. 产生一个沉重的 B' 夸克。
2. 它立即分解（衰变）为一个 顶夸克（Top quark） 和一个 W 玻色子（W boson）。
3. 顶夸克和 W 玻色子随后进一步分解。其中之一产生一个 轻子（lepton）（电子或缪子，它们像是电子的重型版本）、一个 缺失能量（missing energy）（由不可见的微中子携带）以及一些 喷注（jets）（粒子的喷射）。

因为 B' 夸克如此沉重，其衰变产物会以惊人的速度飞出，就像烟花爆炸一样。科学家们构建了一个“重建工具包”，用来将这些飞散的碎片重新拼凑起来，看看它们是否构成了一个 B' 夸克。

挑战：大海捞针

问题在于，标准模型会产生数十亿个看起来与他们正在寻找的信号几乎完全相同的“伪造”事件。这就像是在数以十亿计的相同硬币中寻找一枚特定的稀有硬币。

为了解决这个问题，科学家们使用了一个巧妙的技巧，称为 ABCDnn。

• 类比： 想象你试图预测一家商店里会有多少人购买某种特定的稀有商品（信号区）。你不能仅仅靠猜测；你需要数据。所以，你观察商店里的四个不同货架（控制区 A、B、C 和 D），在这些货架上你知道该商品并不销售，但顾客的行为模式是相似的。
• AI 的转变： 他们并没有仅仅使用简单的数学，而是使用了一种复杂的 神经网络（Neural Network）（一种人工智能类型）来学习“伪造”的背景事件在这些不同货架上的复杂模式。AI 学习了如何将来自已知答案的货架中的数据，转化为对寻找神秘粒子的货架的预测。这使得他们能够以极高的精度预测背景情况。

结果：他们发现了什么？

在用他们的 AI 工具分析数据后，他们观察了所发现粒子的“重建质量”。

• 结论： 他们没有发现 B' 夸克。数据与“标准模型”的预测完美吻合。那里没有任何重型、左右开弓夸克的迹象。
• 排除范围： 由于没有发现该粒子，他们现在可以以 95% 的置信度断定，如果这个粒子确实存在，它的质量不会太轻。他们排除了质量在 0.8 到 1.23 TeV 之间（约 800 到 1,230 倍质子质量）且具有特定“窄宽度”（衡量衰变快慢的指标）的 B' 夸克。

这为什么重要？

这是有史以来针对这种特定类型粒子最敏感的一次搜索。

• 窄宽度： 之前的搜索对于那些衰变很快（宽宽度）的粒子效果很好，但这次搜索是第一次对衰变非常缓慢（窄宽度）的粒子具有如此高的敏感度。
• 新的界限： 尽管他们没有找到粒子，但他们已经在物理学的地图上画出了一条“禁止进入”的线。他们告诉理论学家：“如果你想建立一个包含 B' 夸克的理论，它必须比 1.23 TeV 更重（或者具有不同的属性）。”

总结

CMS 团队利用大规模数据集和智能 AI 系统，去寻找一种能够修复我们对宇宙理解缺陷的沉重、奇异粒子。他们虽然没有找到它，但通过证明它在他们搜索的质量范围内不存在，他们缩小了新物理学可能呈现出的范围。这有点像是在整个城市里寻找一个特定的人，虽然没找到，但证明了他们并没有躲在你检查过的任何房子里。

技术摘要

技术摘要：CMS 对单产 B′ 矢量类夸克的搜索

问题与动机
本文介绍了一种针对窄宽度矢量类 B′ 夸克（一种在各种超越标准模型（SM）场景中被提出的假设性重费米子，旨在解决关于希格斯玻色子质量的“自然性”问题）单产过程的搜索。与手征标准模型夸克不同，矢量类夸克（VLQs）的左手和右手分量在标准模型规范群下的变换方式是相同的。预计 B′ 夸克主要与第三代夸克混合，并衰变为顶夸克（$t$）和 $W$ 玻色子。以往的搜索主要集中在较宽的衰变宽度或对产过程，而本分析则针对具有窄衰变宽度（$\Gamma/m_{B'} = 1\%$ 和 $5\%$）的 B′ 夸克单产过程。这些窄宽度对应于较小的产生截面和较弱的电弱耦合，由于灵敏度有限以及显著的标准模型干涉效应，这些情况在以前难以进行探测。

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

• 事件选择： 搜索目标是单轻子末态，其中 B′ 夸克衰变为 $tW$，且一个$W$玻色子进行轻子衰变（$e$或$\mu$）。要求事件必须包含恰好一个高横动量（$p_T > 55$ GeV）隔离轻子、缺失横动量（$p_T^{miss} > 60$ GeV）以及至少一个大半径喷注（$p_T > 200$ GeV）。如果顶夸克发生半轻子衰变，则包含一个小半径喷注。
• 重建与分类： 通过轻子、$p_T^{miss}$、大半径喷注以及可能存在的 $b$ 标记小半径喷注来重建 B′ 候选体。根据 PARTICLENET 算法对大半径喷注的识别（识别为顶夸克或 $W$ 候选体）以及是否存在 $b$ 标记喷注，将事件分为四种情况：
  1. 轻子 $W$ + $t$ 标记喷注。
  2. 半轻子 $t$ 候选体 + $W$ 标记喷注。
  3. 半轻子 $t$ 候选体 + 未标记喷注。
  4. 轻子 $W$ + 未标记喷注。
     情况 1 和 2 具有最高的信号灵敏度。
• 背景估计 (ABCDnn)： 主要的标准模型背景（主要是 $t\bar{t}$、$W$+jets 和 QCD 多喷注）使用一种称为“ABCDnn”的新型数据驱动技术进行建模。该方法通过使用神经自回归流（neural autoregressive flows）扩展了传统的 ABCD 方法，学习五个控制区（CRs）与信号区（SR）之间的变换。网络将模拟分布映射到 CR 中的数据分布，并将此变换外推至 SR，使用重建的 B′ 质量（$m_{tW}$）和横动量标量和（$S_T$）作为变换变量。次要背景通过模拟进行估计。
• 统计分析： 对信号区中的 $m_{tW}$ 分布进行分箱最大似然拟合。系统不确定度（包括来自喷注能量标度、$b$-tagging 以及 ABCDnn 训练准确度的不确定度）作为干扰参数（nuisance parameters）被纳入其中。

核心贡献

• 新型背景建模： 应用利用神经自回归流的 ABCDnn 技术，代表了在高质量共振搜索中建模复杂背景形状的重要进展，它允许进行数据驱动的预测，能够处理观测值之间的相关性，而不依赖于严格的独立性假设。
• 增强对窄宽度的灵敏度： 通过结合完整的 Run 2 数据集（138 fb$^{-1}$）、先进的喷注识别技术（PARTICLENET）以及 ABCDnn 背景估计，本分析在单产窄宽度 B′ 夸克方面达到了迄今为止最高的灵敏度。
• 全面的耦合限制： 研究不仅提供了对产生截面的限制，还提供了 B′ 夸克对电弱玻色子的耦合因子（$\kappa$）在单态（singlet）和双态（doublet）场景下的限制。

结果
在任何重建类别中均未观察到相对于标准模型背景预测的显著事件过剩。仅背景拟合得到的 $p$ 值为 0.15。

• 排除限制：
  • 对于与 $b$ 夸克结合产生的单态 B′ 夸克（$bqB'$），其相对衰变宽度为 5%，在 95% 置信水平（CL）下排除的质量范围为 0.8 至 1.23 TeV。预期排除极限为 1.35 TeV。
  • 对于 $t$ 关联产生（$tqB'$），观测到的限制排除了在 5%-宽度单态和 1%-宽度双态场景下质量为 0.9 和 1.0 TeV 的情况。
  • $tqB'$ 产生的截面上限范围从 0.8 TeV 时的 230 fb 到 2.0 TeV 时的 10 fb 不等。
• 耦合因子限制：
  • 对于单态 $bqB'$ 产生，在 0.8 至 1.8 TeV 质量范围内排除耦合因子 $\kappa > 0.30$。
  • 对于 $tqB'$ 产生，单态质量（0.8–1.2 TeV）排除 $\kappa > 0.41$，双态质量（0.8–2.0 TeV）排除 $\kappa > 0.29$。

显著性
论文声称，该搜索提供了迄今为止对单产窄宽度 B′ 夸克最严格的灵敏度。它成功探测了比以往 CMS 搜索更小的截面和耦合因子值，有效地将矢量类夸克的搜索范围扩展到了窄宽度和弱耦合的领域。研究结果作为有限宽度研究的模型无关补充，约束了与第三代标准模型夸克混合的矢量类夸克的参数空间。