⚛️ high-energy experiments

Search for scalar leptoquarks produced via muon-quark scattering in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

利用 CMS 检测器在 $\sqrt{s}$ = 13 TeV 下收集的 138 fb $^{-1}$ 质子-质子碰撞数据，本研究首次对通过缪子-夸克散射产生的 TeV 能标标量轻夸克进行了搜索，未发现其存在的证据，并设定了新的排除限制，将之前的覆盖范围扩展至 LQ(u $\mu$ ) 的 1.5 至 3.6 TeV 以及 LQ(b $\mu$ ) 的 1.8 TeV 以上。

原作者： CMS Collaboration

发布于 2026-08-31

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CC BY 4.0

原作者： CMS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

宇宙是由一小组基本的成分构建而成的，然而这些成分如何相互作用的规则仍然是现代物理学中最大的谜团之一。科学家们长期以来一直怀疑，被称为夸克和轻子的粒子族并不像它们看起来那样彼此独立。夸克是质子和中子的构建模块，而轻子则包括熟悉的电子和难以捉摸的中微子。如果这两组粒子确实有关联，那么应该存在一个连接它们的桥梁——一种可以将夸克转化为轻子或反之亦然的粒子。这种假设的桥梁被称为“夸克轻子”（leptoquark）。发现这样一种粒子将是一项里程碑式的发现，它能让我们窥见自然界更深层的对称性，并可能解释为什么宇宙今天拥有这些特定的属性。

几十年来，研究人员一直在搜寻这些粒子，但尚未发现它们。这种缺失令人困惑，因为许多预测其存在的理论都非常有说服力。现在的搜索已经转向了一个新的方向，不再采用传统的通过碰撞两个质子来产生一对这类粒子的方法。相反，一支使用瑞士大型强子对撞机中紧凑缪子线圈（CMS）探测器的科学家团队，寻找了一种不同且更微妙的过程。他们寻找的是由一个缪子（电子的一个重质量近亲）与另一个质子内部的一个夸克发生碰撞时产生的单个夸克轻子。这种情况依赖于这样一个事实：质子不仅仅是简单的夸克袋，它们是能量沸腾的云团，粒子和反粒子在其中不断地闪现并消失。偶尔，这种量子活动会产生一个可以作为碰撞投射物的缪子。

研究人员分析了2016年至2018年间记录的大规模碰撞数据集，其对应的积分亮度为138个反常费米（inverse femtobarns）。他们关注的是产生了高能缪子和一个粒子喷注（jet，即当夸克被撞松动时留下的碎片喷流）的事件。他们专门寻找了缪子和喷注看起来像是来自单个重粒子衰变的案例。该团队检查了两种主要可能性：一种是衰变为一个缪子和一个上夸克（up quark）的夸克轻子，另一种是衰变为一个缪子和一个底夸克（bottom quark）的夸克轻子。为了寻找信号，他们使用了一个经过训练的高级计算机程序，旨在将潜在新粒子的细微模式从压倒性的普通粒子相互作用背景中区分出来。他们寻找一个特定的质量值，在该值下，缪子和喷注会一致地同时出现，这预示着存在一种新粒子。

在筛选数据后，科学家们没有发现夸克轻子的证据。缪子和喷注的质量分布与已知物理学的预测完全吻称，没有显示出任何预示新发现的异常峰值或凸起。虽然这意味着夸克轻子仍然隐藏着，但这项研究远非失败。通过没有发现该粒子，研究人员能够画出一条非常精确的界限。他们确定，如果这些粒子存在，它们的质量不可能低于1.5到3.6万亿电子伏特，这取决于它们与其他物质相互作用的强度。这个范围涵盖了此前被其他类型搜索所未约束的质量区间。

结果有效地排除了在他们测试的质量和相互作用强度范围内的这些特定类型的夸克轻子的存在。对于涉及上夸克的场景，他们排除了质量在1.5到3.6万亿电子伏特之间且相互作用强度在0.2到0.6之间的粒子。对于涉及底夸克的场景，他们排除了质量高于1.8万亿电子伏特且相互作用强度大于1的粒子。这些限制比之前的搜索要严格得多，因为之前的搜索侧重于产生成对的夸克轻子，而非单个。这项研究证明，寻找由缪子-夸克碰撞产生的单个粒子的这种新方法是一种强大的工具，能够探测到此前无法触及的物理区域。

没有发现发现并不意味着搜索已经结束；相反，它精炼了科学家下一步应该寻找的方向图。通过推向可探测性的边界，这项工作缩小了未来实验的研究领域。如果夸克轻子存在，它们的质量必须比这项分析设定的极限更重，或者相互作用得更弱。下一代粒子加速器和探测器需要达到更高的能量或更高的灵敏度才能找到它们。目前，宇宙依然守着它的秘密，但寻找它的路径已变得比以往任何时候都更加清晰和明确。

技术摘要：通过缪子-夸克散射产生的标量轻子夸克搜索

问题与动机
标准模型（SM）成功描述了基本粒子间的相互作用，但未能解释夸克族与轻子族之间的相似性。轻子夸克（LQs）是携带轻子数和重子数的假设玻色子，被多种标准模型扩展理论（包括大统一理论、复合模型和超对称理论）所预言。它们也被提议作为解释 $B$ 介子半轻子衰变异常以及缪子反常磁矩的潜在解释。

虽然此前在大型强子对撞机（LHC）上的搜索主要集中在成对产生或非共振单产生，但通过轻子诱导过程（特别是缪子-夸克散射）产生的轻子夸克在历史上难以研究，这是由于质子中轻子含量的确定性存在不确定性。最近的部分子分布函数（PDFs）进展，特别是 LUX 形式化，预测了通过质子内光子产生的量子涨落中的缪子与另一侧质子的夸克融合，来进行单轻子夸克生产的截面是相当大的。本文介绍了首次针对通过这种特定 $\mu q$ 散射机制产生的 TeV 级标量轻子夸克的搜索。

方法论
本分析利用了由 CMS 探测器记录的质心能量为 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子-质子碰撞数据，对应于 2016 年至 2018 年间收集的 $138 \text{ fb}^{-1}$ 积分亮度。

信号假设： 搜索目标是电荷为 $(1/3)e$ 和 $(2/3)e$ 的标量 LQ，其衰变为一个缪子和一个上夸克（ $LQ(u\mu)$ ）或一个底夸克（ $LQ(b\mu)$ ）。分析假设该 LQ 仅耦合到一种轻子味。
事件选择： 选择要求至少有一个高横动量（ $p_T$ $p_{T}$ ）缪子和至少一个喷注的事件。数据集根据重建的缪子数量被分为两个信号区域（SRs）：单缪子 SR（ $N_\mu = 1$ $N_{μ} = 1$ ）和双缪子 SR（ $N_\mu = 2$ $N_{μ} = 2$ ）。
- 运动学截断： 领先缪子的 $p_T > 55$ GeV，且领先喷注的 $p_T > 100$ GeV。缪子-喷注系统的不变质量（ $M_{\mu j}$ ）要求 $> 300$ GeV。通过剔除含有电子的事件来抑制 $Z$ 玻色子背景。
- 背景抑制： 使用提升决策树（BDT）来区分信号与背景（背景主要由 $W$ +jets、 $t\bar{t}$ +jets 和 Drell-Yan 过程组成）。BDT 利用运动学变量，如缪子与喷注的 $p_T$ 比值、方位角以及缺失横动量。
- 分类： 事件根据 BDT 分数（紧凑型 vs 松散型）以及领先喷注是否经过 $b$ -tagging 进行进一步分类，共得到八个不同的分析类别。
统计分析： 主要观测量是 $M_{\mu j}$ 不变质量分布。在所有类别中进行同步最大似然拟合。标准模型背景使用经验函数（ $B(x) = p_0(1-x)^{p_1}/x^{p_2}$ ）进行建模，而信号则使用跨越质量（ $M_{LQ}$ ）和耦合（ $\lambda$ ）参数插值的模拟模板进行建模。使用修正后的频率学派 $CL_s$ 准则设定上限。

主要贡献

新颖的产生机制： 本工作构成了首次专门针对通过缪子-夸克散射（利用质子中的带电轻子组分）进行共振产生标量轻子夸克的实验搜索。
扩展的参数空间： 该分析将搜索覆盖范围扩展到了质量-耦合平面之外的以往限制区域。它特别针对轻子诱导产生截面超过成对产生（在大 $\lambda$ 和高 $M_{LQ}$ 下）的区域。
稳健的背景建模： 研究采用基于数据驱动的背景估计，使用通过信号注入测试验证的灵活经验函数，确保在提取信号限制时具有最小的偏差。

结果
观测数据被发现与仅含背景的预测一致。在 $M_{\mu j}$ 能谱中未观察到显著过剩。因此，在 95% 置信水平（CL）下，对 LQ 产生截面与其向 $\mu q$ 末态衰变的支路比（ $\sigma \mathcal{B}$ ）乘积设定了上限。

结果排除了 $(M_{LQ}, \lambda)$ 参数平面中的特定区域：

对于 $LQ(u\mu)$ 情景： 在耦合为 0.2 至 0.6 之间，排除了质量在 1.5 至 3.6 TeV 之间的区域。
对于 $LQ(b\mu)$ 情景： 对于耦合 大于 1 的情况，排除了质量 高于 1.8 TeV 的区域。

这些排除结果通过进入成对产生机制成为主导产生模式的区域，改进了之前的 CMS 搜索；在这一区域，由于相空间抑制，成对产生搜索的敏感度有所下降。

意义
论文声称，这些结果代表了通过利用此前因 PDF 不确定性而难以探索的产生机制，在探索轻子夸克参数空间方面迈出了重要一步。通过证明通过轻子诱导过程搜索 LQ 的可行性，该分析为由成对产生和非共振单产生提供的约束提供了补充。对 $u\mu$ 和 $b\mu$ 情景下宽广质量-耦合平面的排除，收紧了对预测耦合到缪子的轻子夸克模型的限制，特别是那些旨在解释 $B$ 介子异常的模型。作者指出，由于这些结果仅考虑了轻子诱导产生机制，因此是保守的，尽管交叉检查确认即使存在其他产生模式，分析仍保持敏感。

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