Neue Ergebnisse bei der Suche nach Vectorlike Quarks mit 13 TeV-Daten

Vectorlike Quarks (VLQ) sind neue, bisher unbeobachtete Teilchen, die in verschiedenen Theorien vorhergesagt werden. Im Jahr 2018 hat die ATLAS-Kollaboration mehrere Suchen nach VLQs mit 13 TeV-Daten veröffentlicht und dabei neue Massenregionen untersucht, die mit 8 TeV-Daten nicht zugänglich waren. Das VLQ-Suchprogramm war dabei sehr umfassend, um möglichst alle Produktions- und Zerfallsmöglichkeiten der VLQs zu berücksichtigen.

VLQs sind farbgeladene Fermionen, die in verschiedenen Theorien jenseits des Standardmodells (SM) vorhergesagt werden. Dort können sie die Rolle von Top-Partnern übernehmen, die bevorzugt an die 3. Quarkgeneration koppeln und so das elektroschwache Hierarchieproblem lösen. VLQs werden insbesondere als X-, T-, B- und Y-Quarks mit elektrischen Ladungen von +5/3, +2/3, -1/3 bzw. -4/3 vorhergesagt, deren Zerfallskanäle Kombinationen von W-, Z- und Higgs-Boson mit Top- und Bottom-Quarks sind, also z.B. T→Wb/Zt/Ht.

Im Sommer 2018 wurden mehrere Suchen nach Paarproduktion fertiggestellt, die ein alle Zerfallskanäle abdeckendes Suchprogramm mit 13 TeV-Daten vervollständigen. Dabei wurde in Endzuständen mit mindestens zwei geladenen Leptonen nach den Zerfällen T→Zt und B→Zb [1], in Endzuständen mit mindestens zwei Leptonen gleicher Ladung u.a. nach X→Wt [2], und in allhadronischen Endzuständen z.B. nach B→Hb gesucht [3]. Durch eine Kombination [4] mit bereits veröffentlichten Suchen, die u.a. auf die Zerfälle T→Zt und Ht sensitiv sind [5,6], wurden die in den einzelnen Suchen erreichten Ausschlussgrenzen weiter verbessert. T-Quarks (Abb. 1) und B-Quarks mit Massen kleiner als 1,31 bzw. 1,03 TeV sind damit für alle möglichen Zerfälle in SM-Teilchen mit 95% CL ausgeschlossen.

Abb. 1: Untere Grenze auf die T-Quark-Masse als Funktion der Verzweigungsverhältnisse in Ht und Wb [4].

Der Wirkungsquerschnitt für Paarproduktion sinkt mit steigender Masse. Die Suche nach elektroschwacher Einzelproduktion hingegen erlaubt Sensitivität bis zu großen Massen, wenn die Kopplung an SM-Teilchen stark genug ist. Mehrere Suchen mit dem 13 TeV-Datensatz wurden in den letzten Monaten fertiggestellt und konzentrierten sich auf die Zerfälle T→Zt in Endzuständen mit leptonischen [1] und unsichtbaren Z-Boson-Zerfällen [7], und auf die Zerfälle T/Y→Wb [8] und B→Hb [9]. Dabei wurden obere Ausschlussgrenzen auf die Kopplungsstärke als Funktion der Masse gesetzt (wie in Abb. 2). Neu waren in diesen Suchen die Verwendung bisher ungenutzter Zerfallskanäle [7,9], sowie die Berücksichtigung von Interferenzeffekten [8].

Abb. 2: Obere Grenze auf die Kopplungsstärke des Y-Quarks als Funktion der Y-Quark-Masse [8].

Ein Großteil der VLQ-Suchen am ATLAS-Experiment wurde mit starker Beteiligung der deutschen Institute durchgeführt. Beiträge lieferten die Arbeitsgruppen in Berlin [8], in Bonn [8], am DESY [2,4,5], in Dortmund [1,3,4,7-9], in Heidelberg [8] und in Wuppertal [4,6].


Referenzen:
[1] PRD 98 (2018) 112010
[2] JHEP 12 (2018) 039
[3] PRD 98 (2018) 092005
[4] PRL 121 (2018) 211801
[5] JHEP 07 (2018) 048
[6] JHEP 08 (2017) 052
[7] arXiv:1812.09743, eingereicht bei JHEP
[8] arXiv:1812.07343, eingereicht bei JHEP
[9] ATLAS-CONF-2018-024

Kontakt:
Dr. Johannes Erdmann, johannes.erdmann@tu-dortmund.de
Prof. Dr. Volker Büscher, buescher@uni-mainz.de

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