Probing light scalars and vector-like quarks at the high-luminosity LHC

Abstract

Abstract A model based on a $$U(1)_{T^3_R}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>U</mml:mi> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>T</mml:mi> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msubsup> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> extension of the Standard Model can address the mass hierarchy between generations of fermions, explain thermal dark matter abundance, and the muon $$g - 2$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>g</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> , $$R_{(D)}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>D</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , and $$R_{(D^*)}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>D</mml:mi> <mml:mo>∗</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> anomalies. The model contains a light scalar boson $$\phi '$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mo>′</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> and a heavy vector-like quark $$\chi _\textrm{u}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>χ</mml:mi> <mml:mtext>u</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> that can be probed at CERN’s large hadron collider (LHC). We perform a phenomenology study on the production of $$\phi '$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mo>′</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> and $${\chi }_u$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>χ</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> </mml:msub> </mml:math> particles from proton–proton $$(\textrm{pp})$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>pp</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> collisions at the LHC at $$\sqrt{s}=13.6$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>13.6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> TeV, primarily through $$g{-g}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>g</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mi>g</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> and $$t{-\chi _\textrm{u}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>χ</mml:mi> <mml:mtext>u</mml:mtext> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> fusion. We work under a simplified model approach and directly take the $$\chi _\textrm{u}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>χ</mml:mi> <mml:mtext>u</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and $$\phi '$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mo>′</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> masses as free parameters. We perform a phenomenological analysis considering $$\chi _\textrm{u}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>χ</mml:mi> <mml:mtext>u</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> final states to b-quarks, muons, and neutrinos, and $$\phi '$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mo>′</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> decays to $$\mu ^+\mu ^-$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . A machine learning algorithm is used to maximize the signal sensitivity, considering an integrated luminosity of 3000 $$\text {fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow>