[論文レビュー] Dark Matter searches at CMS and ATLAS

D. Pérez Adán, ATLAS Collaboration+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるATLASおよびCMS共同作業が、√s = 13 TeVのプロトン-プロトン衝突データ139 fb⁻¹を用いて最新のダークマター探索を要約している。モノジェット、モノZ、ヒッグスの非可視崩壊、ダークフォトン、ダークヒッグス、および準可視ジェット探索を提示しており、すべてが主に消失運動量（⃗pTmiss）を特徴とする。標準模型からの顕著なずれは観測されず、特に準可視ジェットチャンネルにおいて、既存のモノジェットおよびダブルジェット共鳴状態探索と補完的に、多数のモデルに対してきびしい制限が得られた。

ABSTRACT

A glimpse into the most recent searches for Dark Matter at the LHC performed by the ATLAS and CMS collaborations is presented. The results covered in this document are all based on Run-2 proton-proton collision data recorded at $\sqrt{s}=13 ext{ TeV}$ and corresponding to an integrated luminosity of just under 140 $ ext{fb}^{-1}$

研究の動機と目的

• LHCにおけるプロトン-プロトン衝突において、Run-2全データセットを用いてダークマター生成を探索すること。
• モノジェット、モノZ、ヒッグスの非可視崩壊を含む、多様な最終状態のサーベイランスを通じて、広範なダークマター模型を調べること。
• 可視ジェットと部分的に一致する消失運動量を持つ準可視ジェットを効果的に特定するための新規技術を開発・適用すること。
• 機械学習および運動量変数を用いてQCD背景を低減することで、ダークマター探索の感度を向上させること。
• ダークマス質量、媒介ボソン質量、非可視分岐比といった主要なモデルパラメータに対する強固な除外限界を提供すること。

提案手法

• 非可視ダークマター粒子の主な特徴として、消失運動量（⃗pTmiss）を用いる。
• 信号領域および制御領域における⃗pTmiss分布のビン化および非ビン化最大尤度フィットを用いて、背景をモデル化する。
• 部分構造および運動量の一致に基づき、準可視ジェットとQCDジェットを区別するために、深層ニューラルネットワークおよびブーストド決定木を用いる。
• レプトンを含む制御領域を用いて、W/Z + ジェットなどの主要な標準模型背景を、系統的不確実性を低減して制約する。
• 横方向質量（mT）および∆φ(⃗pjetT, ⃗pTmiss)などの運動量変数を用いて、信号感度を向上させ、QCD寄与を抑制する。
• 複数の信号領域および制御領域を同時にフィットすることで、モデルに依存しない限界を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるプロトン-プロトン衝突におけるダークマター生成の最も感受性の高い特徴は何か？
• RQ2 可視ジェットと部分的に一致する消失運動量を持つ準可視ジェットは、高いQCD背景がある中でどのように効果的にターゲットにできるか？
• RQ3 現在のLHCデータは、ヒッグスの非可視崩壊やダークフォトン生成を伴うモデルをどの程度制限しているか？
• RQ4 モノジェット、ダブルジェット共鳴状態、および準可視ジェット探索の限界が、新規共鳴状態の非可視部分をどのように総合的に制限するか？
• RQ5 機械学習技術は、高エネルギー消失運動量最終状態における主要なQCD背景からのダークマター信号の分離をどのように向上させることができるか？

主な発見

• 分析された5つのダークマター探索チャンネルのいずれに対しても、標準模型からの顕著なずれは観測されなかった。
• モノジェット探索では、軸対称媒介ボソンおよび非可視ヒッグス崩壊を伴う簡略化モデルに対して高い感受性を示し、媒介ボソン質量について最大1.5 TeVまでの制限が得られた。
• 準可視ジェット探索では、Z′共鳴状態質量3.5 TeV付近に、約2標準偏差の局所的過剰が観測されたが、統計的に有意ではなかった。
• Z′質量と非可視分岐比（rinv）の2次元平面において、モノジェット（rinv = 1）やダブルジェット共鳴状態（rinv = 0）探索ではカバーできない中間領域をカバーする除外限界が設定された。
• ブーストド決定木の使用により、初期のQCD率が高かったにもかかわらず、準可視ジェットとQCDジェットの効果的な分離が可能になった。
• 全チャンネルの統合結果により、非可視崩壊および新しいゲージボソンを含むダークマター模型に対する、これまでで最も包括的な制限が得られた。