Search for a leptoquark in events with a hadronically decaying $\tau$-lepton and missing transverse momentum using $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

利用 ATLAS 探测器收集的 140 fb$^{-1}$ 能量为 13 TeV 的质子-质子碰撞数据，本研究在包含强子衰变 $\tau$ 轻子和缺失横向动量的末态中寻找夸型轻子，未发现超过标准模型预测的超额，并对 $U_1$ 矢量轻型夸子质量在 1.5 至 3.0 TeV 之间的耦合强度设定了 95% 置信水平的限制。

要点

大局观：寻找“宇宙胶水”

想象一下，宇宙是由微小的乐高积木搭建而成的。我们有两种主要的积木类型：夸克（构建质子和中子的基础）和轻子（比如电子和陶子）。几十年来，物理学的标准模型一直认为这两类积木永远不会直接粘在一起；它们只能通过传递一种“信使粒子”来进行相互作用。

然而，最近的一些实验注意到了一个奇怪的故障。当某些重粒子（B介子）发生衰变时，它们转化为“陶子”的频率似乎比规则所允许的要高。这就像一台自动售货机，原本应该每10次才给你一瓶苏打水，但最近却经常在15次里给你一瓶。

物理学家怀疑，可能存在一种新的、看不见的“胶水”，将这两类不同的积木连接在一起。他们把这种假设的胶水称为夸克轻子（Leptoquark）。这是一种可以抓住一个夸克和一个轻子并把它们撞在一起的粒子，充当了两个通常互不往来的世界之间的桥梁。

实验过程：一场高速粒子大碰撞

欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）的ATLAS团队决定寻找这种“胶水”。他们将质子（类似于装满夸克的微型袋子）以接近光速的速度撞在一起。

实验设置：
把这次碰撞想象成一场高速赛车碰撞。当赛车（质子）相撞时，它们会碎裂成无数碎片。ATLAS探测器是一个巨大的、360度全方位的摄像机，它会对飞出的每一个碎片进行快照记录。

他们寻找的线索：
团队寻找的不只是任何碎片的残骸。他们专门寻找一种非常罕见且特定的模式：

1. 一个分解成其他粒子喷流的陶子（就像烟花爆炸一样）。
2. 大量的缺失能量。由于我们看不见中微子（这种幽灵粒子可以穿透一切），我们之所以知道它们的存在，是因为快照中的总能量并不守恒。这就像看到台球撞击球架后，球桌上的能量突然减少了——一定有什么东西从桌子上飞走了，而我们看不见它。

他们寻找的是这种“陶子 + 缺失能量”事件与一个喷注（由夸克产生的粒子喷流）同时发生的现象。

策略：两种捕捉“胶水”的方法

团队通过两种不同的方式寻找夸克轻子，就像在两个不同的房间里寻找丢失的钥匙一样：

1. “共振”搜索（直接命中）：
   想象向墙壁投掷一个球。如果墙上有一个特定的洞，球可能会在那里卡住一瞬间，然后掉下去。团队寻找的是那种被直接产生并立即分解为陶子和夸克的夸克轻子。这会在特定质量（重量）处的数据中显示出一个明显的“凸起”。

2. “非共振”搜索（无形之手）：
   想象两个人互相投掷球，但球并没有被接住，而是在经过时轻轻擦过，导致球的方向发生了轻微改变。这就是“t通道”交换。在这种情况下，夸克轻子并不是作为一个真实的粒子被创造出来的，它只是作为一种力短暂存在，推动粒子分离。这会表现为高能碰撞次数的普遍增加，而不是一个特定的凸起。

结果：幽灵依然难以捉摸

在分析了海量数据（140“反费米米”，这是一种高级说法，意思是通过观察数万亿次碰撞）之后，团队发现什么也没有。

• 类比： 想象你正在森林里寻找一种特定的稀有鸟类。你架设了高倍摄像机，并连续几个月倾听它的鸣叫。你看到了成千上万的其他鸟类、松鼠和树间的风声。但你从未听到那种稀有鸟类的鸣叫。
• 结论： 他们看到的“陶子 + 缺失能量”事件的数量与标准模型的预测完全吻上。没有额外的事件，没有凸起，也没有奇怪的异常。

这对“胶水”意味着什么

尽管他们没有找到夸克轻子，但这仍然是一个非常重要的结果。通过没能找到它，他们在地图的很大一部分区域上画下了“禁止入内”的标志。

• 地图： 他们测试了质量在 1.5 到 3.0 TeV 之间（大约是质子重量的1,500到3,000倍）的夸克轻子。
• 限制： 他们计算出，如果这种“胶水”确实存在，那么在这一重量范围内，它的强度不可能像他们预期的那样强。他们排除了许多试图利用这种特定类型的夸克轻子来解释“自动售货机故障”（B介子异常）的理论。

总结

ATLAS合作组将质子撞在一起，寻找一种特定的、罕见的碎片模式，这种模式本应预示着一种连接夸克和轻子的新“胶水”粒子，但最终除了预期的背景噪音外，一无所获。

核心结论： 在这个特定的场景下，宇宙的行为依然完全符合旧有的规则。夸克轻子仍然是一个幽灵，如果它确实存在，那么它的质量要么太重，要么太弱，以至于无法被这项特定的实验观测到。搜索仍在继续，但这条特定的路径已被封锁。

技术摘要

技术摘要：寻找带有强子衰变 $\tau$ 轻子和缺失横向动量的事件中的轻子夸克

问题与动机
$B$ 介子的半轻子衰变，特别是比值 $R(D^{(*)}) = \mathcal{B}(B \to D^{(*)}\tau\nu)/\mathcal{B}(B \to D^{(*)}\ell\nu)$，表现出约 $3.8\sigma$ 的持续偏差，这偏离了标准模型（SM）的预期。这一异常表明轻子味普适性（LFU）可能发生了破坏，并激发了对轻子夸克（LQ）介导的新物理的搜索。虽然之前的 ATLAS 和 CMS 搜索主要集中在轻子夸克对产生或衰变为 $\tau\tau$ 末态的单产生轻子夸克，但这些分析通常假设信号速率主要取决于 $b\tau$ 耦合。然而，在特定的矢量轻子夸克（$U_1$）模型中解释 $R(D^{(*)})$ 异常，通常需要非零的对粲夸克和 $\tau$ 中微子（$c\nu$）的耦合。本文介绍了一项专门针对 $\tau\nu(+b)$ 末态的首次 ATLAS 搜索，旨在直接探测在 $c\nu$ 耦合显著的情况下，此前 $\tau\tau$ 搜索未曾充分覆盖的区域。

方法论
该分析利用了 ATLAS 探测器在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的 Run 2（2015–2018）期间收集的质子–质子碰撞数据，对应于 140 fb$^{-1}$ 的积分亮度。搜索目标是具有量子数 $(3, 1, 2/3)$ 的矢量轻子夸克 $U_1$ 的产生。考虑了两种不同的产生机制：

1. 共振单产生： 通过 $t$ 道交换产生的 $U_1$，衰变为高 $p_T$ 的 $b$- 或 $s$-夸克和 $\tau$-轻子。
2. 非共振产生： 导致 $\tau\nu$ 系统及一个相关喷注的 $t$ 道交换。

信号特征为一个强子衰变的 $\tau$-轻子（$\tau_{\text{had}}$），具有高横向动量（$p_T > 200$ GeV）和大缺失横向动量（$E_T^{\text{miss}}$）。根据是否存在 $b$-喷注以及预期的质量区间，事件被分为四个信号区域（SR）：

• 共振 SRs (SR0b-Res, SR1b-Res)： 针对较低的 LQ 质量（$\sim 1.5$ TeV 进行优化），要求 $E_T^{\text{miss}} > 200$ GeV 且横向质量 $m_T > 200$ GeV。
• 非共振 SRs (SR0b-NonRes, SR1b-NonRes)： 针对较高质量进行优化，要求 $E_T^{\text{miss}} > 400$ GeV 且 $m_T > 600$ GeV。

背景使用受控制区域（CR）约束的数据约束的模拟样本进行估计。主要的背景 $W \to \tau\nu$ + jets，通过使用轻子（$e$ 或 $\mu$）而非 $\tau_{\text{had}}$ 的 CR 进行归一化。顶夸克背景通过带有额外轻子的 $\tau_{\text{had}}$ 及 CR 进行约束。验证区域（VR）用于测试从 CR 到 SR 的背景估计外推。

主要贡献

• 新颖通道： 本工作引入了第一个针对 $\tau\nu(+b)$ 末态的 ATLAS 分析，专门设计用于探测 $U_1$ 轻子夸克模型中 $b\tau$ 与 $c\nu$ 耦合之间的相互作用。
• 耦合敏感度： 该分析对参数空间的高-$\beta_{23}^L$ 区域（其中 $\beta_{23}^L$ 控制 $c\nu$ 耦合）具有敏感性，而之前的对产生搜索由于在领先阶对耦合强度不敏感，在此区域约束较弱。
• 全面的策略： 通过按 $b$-喷注多重性对事件进行分类，并区分共振与非共振拓扑，该搜索覆盖了轻子夸克质量在 1.5 TeV 至 3.0 TeV 之间广泛的耦合情景（$g_U$ 和 $\beta_{23}^L$）。

结果
在任何信号区域中均未观察到显著高于标准模型背景预测的事件过剩。观测数据与所有运动学分布中的拟合后背景预期均保持良好一致。

• 排除极限： 使用 $CL_s$ 方法在 95% 置信水平（CL）下设定信号强度 $\mu$ 的上限。
• 参数空间： 得出了在固定 $\beta_{23}^L$ 时耦合 $g_U$ 随轻子夸克质量 $m_{U_1}$ 变化的极限，以及在固定质量时 $\beta_{23}^L$ 随 $g_U$ 变化的极限。
  • 对于 $m_{U_1} = 1.5$ TeV，观测到的 $g_U$ 上限为 1.13（当 $\beta_{23}^L = 1.0$ 时）和 0.52（当 $\beta_{23}^L = 2.2$ 时）。
  • 对于 $m_{U_1} = 2.5$ TeV，观测到的 $g_U$ 上限为 2.30（当 $\beta_{23}^L = 1.0$ 时）和 1.22（当 $\beta_{23}^L = 2.2$ 时）。
• 异常约束： 结果排除了由 $B$-物理异常所青睐的部分参数空间，特别是在较高的 $\beta_{23}^L$ 值处。然而，该分析并未排除整个与 $R(D^{(*)})$ 异常一致的区域，因为较低的耦合值仍处于允许范围内。

意义
论文声称，这项搜索为之前的轻子夸克搜索提供了补充约束。虽然对产生搜索在低质量和大耦合情况下提供最强的约束，但这种单产生和非共振分析探测了高-$\beta_{23}^L$ 区域，这对于在特定的 UV 完备模型中解释 $R(D^{(*)})$ 异常至关重要。通过在基准 $U_1$ 矢量轻子夸克模型中设定耦合限制，该分析缩小了 $B$ 介子味异常的可行参数空间，特别是测试了 $c\nu$ 耦合起主导作用的情景。