Search for pair-production of vector-like $T$ quarks decaying into a top quark and a spin-0 particle in the diphoton final state in proton proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

技术摘要：寻找衰变为顶夸克与标量粒子（双光子末态）的矢量型 $T$ 夸克对产生过程

问题与动机
继 2012 年发现希格斯玻色子后，高能物理学的焦点转向了确定希格斯是基础粒子还是复合粒子，并解决层级问题。诸如部分复合性（partial compositeness）等理论预言了矢量型夸克（VLQs）的存在，特别是顶夸克伙伴（$T$），它们与标准模型（SM）费米子发生混合。虽然之前的搜索主要假设 VLQ 衰变为标准模型粒子（例如 $T \to tH, tZ, tW, bW$），但涉及复合性的模型通常预言存在额外的奇异标量或伪标量（$S$）。在这些情景下，顶夸克伙伴可能通过 $T \to St$ 进行衰变，其中 $S$ 是一个新的自旋为 0 的粒子。如果 $S$ 衰变为标准模型粒子，这些级联衰变代表了一种 ATLAS 或 CMS 实验此前未曾探索过的搜索拓扑结构。本分析针对特定的对产生过程（$pp \to T\bar{T}$），其中一个 $T$ 通过 $T \to St \to t\gamma\gamma$ 衰变，而另一个通过 $T \to St \to tX$ 衰变，其中 $X$ 代表任何允许的末态（$\gamma\gamma, Z\gamma, WW, ZZ, t\bar{t}$）。

方法论
本分析利用了 ATLAS 探测器在 $\sqrt{s}=13$ TeV 下收集的完整 Run 2 数据集，对应于 140 fb$^{-1}$ 的积分亮度。

• 事件选择： 事件选择要求至少有两个隔离的光子，其横向能量 $E_T > 38$ GeV 且伪快度 $|\eta| < 2.47$（不包括柱状-端盖过渡区）。此外，要求至少有一个 $b$ 标记喷注。双光子系统的不变质量（$m_{\gamma\gamma}$）需大于 150 GeV，以避开希格斯玻色子的质量区域。
• 运动学判别器： 主要用于对抗标准模型背景的判别器是所有可见物体（喷注、轻子、光子）的横向动量之和加上缺失横向动量（$E_T^{\text{miss}}$）的标量和，记作 $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$。选择该变量是因为重共振态的衰变产物预期具有较大的横向动量，而标准模型过程则分布在谱系的较低端。
• 信号与背景建模：
  • 信号： 使用 MadGraph5_aMC@NLO 结合 Pythia 8 进行部分子淋洗进行模拟。信号样本覆盖的 $T$ 质量（$m_T$）范围为 1000 至 1800 GeV，$S$ 质量（$m_S$）范围为 200 至 1200 GeV。本分析假设 $T \to St$ 的分支比为 100%。
  • 背景： 连续双光子背景通过数据驱动的方法进行估计。控制区（CRs）定义在较低的 $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ 范围内，以提供背景模板。信号区（SRs）中的背景形状由指数函数 $f(m_{\gamma\gamma}) = N e^{-m_{\gamma\gamma}/\tau}$ 参数化，其参数通过对数据进行拟合得到。
• 统计分析： 在由递增的 $p_T^{\text{vis}} + E_T^{\text{miss}}$ 阈值定义的四个信号区内，执行非分箱同时似然拟合。通过引入虚假信号（spurious signal）、光子能量标度/分辨率以及亮度等系统不确定性作为干扰参数（nuisance parameters）。

主要贡献

• 新颖的搜索拓扑： 这是 ATLAS 首次搜索通过奇异自旋-0 粒子衰变为双光子末态的对产生矢量型夸克。它填补了以往 VLQ 搜索中通常假设直接衰变为标准模型玻色子的空白。
• 模型无关的结果： 虽然该搜索是由特定的级联模型驱动的，但结果是以基于光子运动学要求的典型体积（fiducial volume）形式呈现的。这使得结果可以被重新解释到多种广泛的唯象模型中，而不局限于特定的 $T \to St$ 情景。
• 全面的参数空间： 本分析涵盖了广泛的质量范围（$m_T \in [1000, 1800]$ GeV，$m_S \in [200, 1200]$ GeV），仅排除动力学受限的区域（即 $m_S > m_T - m_t$）。

结果

• 观测结果： 在任何信号区中均未观察到相对于预期标准模型背景的显著超额。观测数据与背景仅假设（background-only hypothesis）一致，偏差保持在 $2\sigma$ 以内。
• 排除极限： 在 95% 置信水平（CL）下，设定了关于典型产量截面乘以分支比 $\sigma_{\text{fid}}(pp \to T\bar{T}) \times \mathcal{B}(S \to \gamma\gamma) \times \mathcal{B}(S \to X)$ 随 $m_T$ 和 $m_S$ 变化的上限。
• 模型解释： 结果在特定的部分复合性模型（参考文献 [61]）框架内进行解释。在该模型中，假设矢量型夸克与自旋-0 粒子质量简并，当自旋-0 粒子衰变为非光子末态（即 $2\gamma$ 情况，对应一个 $S \to \gamma\gamma$ 且另一个为非光子模式）时，本分析排除了 $m_T < 1620$ GeV 的 $T$ 质量。由于分支比较低或接受度较低，涉及更多光子（例如 $3\gamma$ 或 $4\gamma$ 末态）的情景其排除极限较弱。

意义
该论文的主要意义在于它是对矢量型夸克未探索衰变通道的一次开创性搜索。通过针对 $T \to St$ 且 $S \to \gamma\gamma$ 的级联过程，该分析扩展了 VLQ 搜索对包含奇异标量情景的敏感度，而这些情景在复合希格斯模型中是被预言的，但在之前却未受 ATLAS 约束。由于未观察到信号，该研究得以对这一特定拓扑结构设定首个限制，从而缩小了预言顶夸克伙伴通过新自旋-0 中介子进行衰变的模型的可行参数空间。结果以高度的模型无关性在典型体积内呈现，确保了其在未来重新解释中的实用价值。