Search for single vector-like quark production in the opposite-sign dilepton final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

Abstract

Vektorartige Quarks werden in verschiedenen Szenarien von Theorien jenseits des Standardmodells (SM) vorhergesagt. Diese Arbeit präsentiert eine Suche nach einem einzeln produzierten vektorartigen Top-Quark (T), das in ein Top-Quark und ein Higgs-Boson des SM zerfällt (T$\to$tH), im T-Massenbereich von 600 GeV bis 1200 GeV. Die verwendeten Daten stammen aus Proton-Proton-Kollisionen, die vom CMS-Experiment am LHC während Run 2 aufgezeichnet wurden, und entsprechen einer integrierten Luminosität von 138 $\text{fb}^{-1}$. Der Endzustand umfasst zwei Leptonen, Myonen oder Elektronen, mit entgegengesetzter Ladung, Jets sowie fehlenden Transversalimpuls. Die Analyse verwendet schnittbasierte Selektionskriterien, die zur Unterdrückung der SM-Hintergründe optimiert sind, zusammen mit einem Algorithmus zur Massenrekonstruktion, der unter geeigneten Approximationen zur Neutrino-Kinematik entwickelt wurde. Zur Signalextraktion dient als Hauptobservable die rekonstruierte T-Masse, während der Hintergrund aus den Daten bestimmt wird. Es wird kein Überschuss der Daten gegenüber der Vorhersage des Standardmodells beobachtet; folglich werden obere Grenzen für den Produktionswirkungsquerschnitt des vektorartigen Top-Quarks multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis festgelegt. Die Analyse präsentiert die ersten Ergebnisse für den Endzustand mit einem Lepton-Paar entgegengesetzter Ladung und erreicht eine Empfindlichkeit, die mit der anderer Kanäle mit demselben Ziel vergleichbar ist.

Vector-like quarks are predicted in various scenarios in beyond the Standard Model (SM) theories. This work presents a search for a single vector-like top quark (T) decaying into a top quark and a SM Higgs boson (T$\to$tH), in the T mass range from 600 GeV to 1200 GeV. The data used is from proton-proton collisions collected by the CMS experiment at the LHC in Run 2, corresponding to 138 $\text{fb}^{-1}$ of integrated luminosity. The final state includes two opposite-sign leptons (muons or electrons), jets, and missing transverse momentum. The analysis uses cut-based selection criteria optimized for SM background suppression, along with a mass reconstruction algorithm developed under the neutrino kinematic assumptions. For signal extraction, the main observable is the reconstructed T mass, and the background models are data-driven. No excess in data above the standard model prediction is observed, thus upper limits are set on the production cross section of vector-like top quark times branching ratio. The analysis presents the first results for the opposite-sign dilepton final state, achieving a sensitivity similar to that of other channels with the same target.