[論文レビュー] Measurement of dijet angular distributions and search for beyond the standard model physics in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS collaboration|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2026

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ひとこと要約

CMSは13 TeVで正規化されたジエット角度分布を測定し、NNLO QCDとEW補正とを比較し、クォークの構成要素、追加次元、QBH、DM媒介、ALP、SMEFT演算子に対する限界を導出します。

ABSTRACT

A measurement is presented of dijet angular distributions in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, using data collected with the CMS detector at the CERN LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. For the first time, the dijet angular distributions, corrected for detector effects, are compared with the predictions of perturbative quantum chromodynamics at next-to-next-to-leading order, including next-to-leading-order electroweak corrections. While data are generally found to be in agreement with predictions, a small difference in shape of the normalized distributions is seen for dijet masses ranging from 2.4 to 4.8 TeV and above 6 TeV. The distributions are used to search for proposed signatures of quark compositeness, extra spatial dimensions, quantum black holes, dark-matter mediators, axion-like particles, and anomalous gluon couplings. The most stringent limits to date are set for most of these scenarios. Quark contact interactions are excluded at 95% confidence level (CL) up to a scale of 17 (37) TeV for destructive (constructive) interference in a benchmark scenario, valid to next-to-leading order in quantum chromodynamics, and in which only left-handed quarks participate. The coupling of axion-like particles to the gluon, $c_{ ext{g}}/f_{ ext{a}}$, is constrained to be lower than 0.42 TeV$^{-1}$ at 95% CL. The anomalous triple-gluon coupling, $C_{ ext{G}}/Λ^2$, in a standard model effective field theory is constrained to be lower than 0.0076 TeV$^{-2}$ at 95% CL.

研究の動機と目的

• 高いdijet質量でのジエット角分布の摂動論的QCD予測をNNLO精度で検証し、NLO EW補正を含める。
• 検出器レベルの分布を粒子レベルへ展開して理論と比較する。
• 正規化されたχ_dijet分布を複数のM_jj領域でBSM物理の兆候を検索する。
• クォーク接触相互作用、ADD/ED、QBHs、DM媒介、ALP、SMEFTのグルオン結合などのBSMシナリオに対して制約を設定する。

提案手法

• 2つの主ジェットのp_T閾値が500 GeVと200 GeVの複数のM_jj領域で検出器レベルのχ_dijet分布を測定する。
• 検出器シミュレーションから得られた応答行列を介して分布を粒子レベルへ展開し、NNLO+EW理論との比較を可能にする。
• 中央スケールμF=μR=M_jjとしてNNLOJETを用いたNNLO QCD予測をfastNLOで計算し、6つのスケール変動と100のNNPDF3.1レプリカでスケール/PDF不確かさを評価する。
• QCD予測に次に重要な電弱補正を適用し、対応するSM補正を付けたLOのBSM予測を加えてQCD+BSMの見積もりを得る。
• 検出器レベルのデータをQCD+BSM予測と比較する際に尤度比とCLs法を用いてBSMモデルを制約する。

Figure 1: Example diagrams of dijet production processes in QCD and BSM physics. Upper row: $t$ -channel quark-gluon scattering in QCD (left), quark-quark scattering via a BSM contact interaction (center left), quark pair production through an $s$ -channel BSM resonance (center right), and quark pai

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定された正規化ジエット角分布は探索したM_jjおよびχ_dijet領域全体でNNLO QCDとNLO EW補正と一致するか。
• RQ2 角度分布はクォーク構成要素、追加次元、QBHs、DM媒介、ALP、SMEFT演算子などの非共鳴または共鳴のサインをBSM物理として示すことができるか。
• RQ3 ジエット角分布からCIスケールΛのさまざまなキラル構造、およびSMEFT C_G/Λ^2およびADD/GRW/HLZパラメータの95% CL制限はどうなるか。

主な発見

• 正規化されたχ_dijet分布はNNLO+EW予測と概ね一致するが、高M_jj領域で形状にわずかな差が見られる。
• Λ±_LL、Λ±_RR、Λ±_VV、Λ±_AA、Λ±(V-A)シナリオなど、クォーク接触相互作用を含むいくつかのBSMシナリオについて現時点で最も厳しい限界を設定。
• グルーオンへのアクシオン様粒子結合c_g/f_aは95% CLで0.42 TeV^-1未満に制限。
• 異常な三重グルーオン結合C_G/Λ^2は95% CLで0.0076 TeV^-2未満に制限。
• 質量medおよび結合に依存してdj_mass領域と結合に対する感度を持つDM媒介シナリオを探索。
• SMEFT次元-6演算子が三重グルーオン相互作用に影響を及ぼすことは分析枠内で制約。

Figure 2: Normalized $\chi_{\text{dijet}}$ distributions for the $M_{\mathrm{jj}}$ bins up to 4.8 \TeV . The data distributions at the detector level (points) are compared to NNLO predictions, corrected for the detector response (black dotted lines). The vertical bars on the points represent statist