Measurement of the inclusive tt cross section and search for additional scalars in tt final states at CMS experiment

Abstract

Two key measurements and two phenomenological studies of top quark pair (tt) production with the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider are presented. They include the first measurement of the tt cross section at the new energy frontier, a detailed analysis of the tt threshold culminating in the first observation of tt bound state effects, and searches for new physics in tt final states, such as heavy scalars, pseudoscalars or Axion-Like Particles.

The inclusive tt production cross section σ(tt) is measured for the first time at the world-record energy of √s = 13.6 TeV, using 1.21 fb^(-1) of early LHC Run 3 data. By combining the dilepton and lepton+jets (l+jets) decay channels and constraining the lepton and b tagging efficiencies in situ, a precision of 3.4%, comparable to previous σ(tt) measurements, is achieved. This constitutes the first measurement of proton-proton scattering at √s = 13.6 TeV worldwide.

Furthermore, a search for heavy spin-0 states decaying to tt using 138 fb^(-1) of LHC Run 2 data at √s = 13 TeV in the dilepton channels is presented. The invariant tt mass m(tt) is combined with spin correlation observables to gain sensitivity to the spin and CP structure of possible new intermediate states. The analysis is supported by a detailed modeling study of off-shell tt production and of the interference between tt and tW production.

An excess of events over the tt continuum background is observed at low values of m(tt), with spin correlations consistent with a pseudoscalar state. It is interpreted in terms of a pseudoscalar tt bound state ηt, and its cross section is measured to be σ(ηt) = 8.7 ± 1.1 pb using a simplified model inspired by non-relativistic quantum chromodynamics. The excess is statistically significant at more than five standard deviations, constituting the first observation of tt bound state effects.

Other interpretations of the observed excess are similarly possible. In particular, scenarios with generic pseudoscalar or scalar bosons are explored, and exclusion regions on their coupling to the top quark are derived both for the dilepton channels alone as well as in a combination with a separate analysis of the l+jets channels. In addition, Axion-Like Particles (ALPs) decaying to tt are considered in the case of vanishing tree-level ALP-gluon couplings, while the more generic case is investigated phenomenologically in simulation.

Es werden zwei essentielle Messungen und zwei phänomenologische Studien zur Produktion von Top-Quark-Paaren (tt) mit dem CMS-Experiment am CERN Large Hadron Collider vorgestellt. Sie umfassen die erste Messung des tt-Wirkungsquerschnitts bei der weltweit höchsten Schwerpunktsenergie, eine detaillierte Analyse der tt-Produktionsschwelle, die in die erste Beobachtung von einem gebundenen Zustand des tt-Systems mündet, sowie Suchen nach neuer Physik in tt-Endzuständen, wie etwa schwere Skalar- oder Pseudoskalarbosonen oder Axion-Like Particles.

Der inklusive tt-Produktionsquerschnitt σ(tt) wird zum ersten Mal bei √s = 13.6 TeV gemessen, unter Verwendung von frühen LHC Run 3-Daten mit integrierter Luminosität von 1.21 fb^(-1). Durch Kombination der Dilepton- und Lepton+Jets (l+jets)-Zerfallskanäle von tt und simultane Bestimmung der Lepton- und b-tagging-Effizienzen in situ wird eine Präzision von 3.4% erreicht, die mit früheren σ(tt)-Messungen vergleichbar ist. Dies stellt die weltweit erste Messung von Proton-Proton-Streuprozessen bei √s = 13.6 TeV dar.

Darüber hinaus wird eine Suche nach schweren Spin-0-Zuständen, die zu tt zerfallen, in den Dilepton-Kanälen mit 138 fb^(-1) Daten von LHC Run 2 bei √s = 13 TeV vorgestellt. Die invariante Masse von tt (m(tt)) wird mit Spinkorrelations-Observablen kombiniert, um die Sensitivität gegenüber dem Spin und der CP-Struktur möglicher neuer intermediärer Zustände zu erhöhen. Die Analyse wird durch detaillierte Studien zur Modellierung der Off-Shell-tt-Produktion sowie zur Interferenz zwischen tt- und tW-Produktion untermauert.

Ein Überschuss von Ereignissen gegenüber dem tt-Kontinuums-Hintergrund wird bei niedrigen Werten von m(tt) und mit Spinkorrelationen konsistent mit einem pseudoskalaren Zustand beobachtet. Er wird als pseudoskalarer gebundener tt-Zustand ηt interpretiert, und dessen Produktionsquerschnitt wird mithilfe eines vereinfachten, von nichtrelativistischer Quantenchromodynamik inspirierten Modells zu σ(ηt) = 8.7 ± 1.1 pb gemessen. Der Überschuss ist mit einer Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen statistisch belegt und stellt somit die erste Beobachtung von gebundenen Zuständen im tt-System dar.

Weitere Interpretationen des beobachteten Überschusses sind ebenfalls möglich. Insbesondere werden Szenarios mit generischen pseudoskalaren oder skalaren Bosonen untersucht, und Ausschlussregionen hinsichtlich ihrer Kopplungen an das Top-Quark werden sowohl für die Dilepton-Kanäle allein als in Kombination mit einer separaten Analyse der l+jets-Kanäle berechnet. Zusätzlich werden zu tt zerfallende Axion-Like Particles (ALPs) betrachtet: einerseits im Fall verschwindender ALP-Gluon-Kopplungen, andererseits im allgemeinen Fall, der phänomenologisch in Simulationen untersucht wird.