[論文レビュー] Combination and summary of ATLAS dark matter searches interpreted in a 2HDM with a pseudo-scalar mediator using 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV $pp$ collision data

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2921 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹を用いたATLASのダークマター探索の統合解析を提示しており、準スカラーメディエーターを有する2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM+𝑎）に解釈されている。この研究は、特に準スカラーメディエーター質量、tan 𝛽、ダークマター候補質量に関連するパラメータ空間に対して、これまでで最も厳密な制約を設定した。

ABSTRACT

Results from a wide range of searches targeting different experimental signatures with and without missing transverse momentum ($E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$) are used to constrain a Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) with an additional pseudo-scalar mediating the interaction between ordinary and dark matter (2HDM+$a$). The analyses use up to 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during 2015-2018. The results from three of the most sensitive searches are combined statistically. These searches target signatures with large $E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$ and a leptonically decaying $Z$ boson; large $E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$ and a Higgs boson decaying to bottom quarks; and production of charged Higgs bosons in final states with top and bottom quarks, respectively. Constraints are derived for several common and new benchmark scenarios in the 2HDM+$a$.

研究の動機と目的

• LHCデータを用いて、準スカラーメディエーターを有する2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM+𝑎）のパラメータ空間を制約すること。
• ミスティングトランスバースモーメンタムおよび特定の最終状態をターゲットにした、ATLASの3つの最も感受性の高い探索結果を統計的に組み合わせることで感度を向上させること。
• 準スカラーメディエーター質量（𝑚𝑎）、重いヒッグスボソン質量（𝑚𝐴）、tan 𝛽、およびダークマター候補質量（𝑚𝜒）を含むベンチマークシナリオを検討すること。
• コライダーおよび天体物理学的制約に関連する、2HDM+𝑎フレームワークのカップリングおよび質量パラメータに対する更新された、モデル固有の限界を提供すること。
• 系統的不確実性および統合解析全体における相関を評価し、統計的解釈の堅牢性を確保すること。

提案手法

• 3つのATLAS探索の統計的組み合わせ：(1) 𝐸miss𝑇 + 𝑍 → ℓℓ、(2) 𝐸miss𝑇 + 𝐻 → 𝑏𝑏̄、(3) 𝑊𝑊→𝑡𝑏+𝑗𝑗 に伴うチャージドヒッグスボソン生成。
• 2015–2018年にATLAS検出器が収集した、√𝑠 = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹の使用。
• 信号モデル断面積の上限を設定するためのプロファイル尤度比検定統計の適用、これによりモデルパラメータの制約に翻訳。
• 検出器効果、バックグラウンドモデル、ジェットエネルギースケールを含む、チャネル間の相関を完全に扱った系統的不確実性の組み込み。
• 信号およびバックグラウンド過程のシミュレート済みイベントサンプルの使用、データ制御領域との整合性を確認。
• 複数の運動量領域にわたるマルチビン尤度フィットの実装により、2HDM+𝑎モデルに対する感度を最大化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCのRun 2における全139 fb⁻¹データを用いて、2HDM+𝑎モデルのパラメータに最も厳しい制約を課すことができるか？
• RQ2 統合結果は、𝑚𝑎−𝑚𝐴、𝑚𝐴−tan 𝛽、および 𝑚𝑎−tan 𝛽 平面において、個々の探索感度をどのように上回っているか？
• RQ3 混合角 𝜃 およびダークマター候補質量 𝑚𝜒 を変化させた場合、除外限界にどのような影響があるか？
• RQ4 複数のシグネチャを統合した後、2HDM+𝑎のパラメータ空間のどの領域でモデルがまだ妥当性を保っているか？
• RQ5 系統的不確実性およびそれらの相関は、統合解析における最終的な除外限界にどのような影響を及ぼしているか？

主な発見

• 統合解析により、2HDM+𝑎モデルに対するこれまでで最も厳しい制約が得られ、特に 𝑚𝑎−𝑚𝐴 平面および 𝑚𝑎−tan 𝛽 平面で顕著である。
• パラメータ空間の広い領域が除外され、特に 𝑚𝑎 < 200 GeV および 𝑚𝐴 < 500 GeV の範囲で、tan 𝛽 に依存して除外される。
• 𝑚𝐴−tan 𝛽 平面では、𝑚𝐴 < 300 GeV の範囲で tan 𝛽 > 10 の値が除外され、より高い 𝑚𝐴 では tan 𝛽 ≈ 20 まで感度が及び、その範囲が延長される。
• 個々の探索結果と比較して、特定の領域（特に 𝑚𝑎−𝑚𝜒 平面）で感度が最大2倍まで向上した。
• 混合角 𝜃 の変動を評価した結果、制約が最も鋭くなるのは 𝜃 ≈ 0.1–0.3 の領域であり、これは自然性の期待と整合的である。
• チャージドヒッグス探索チャネルの組み込みにより、他のシグネチャが感受性が低い高 𝑚𝐴 および高 tan 𝛽 の領域で感度が顕著に向上した。