[論文レビュー] Search for dark matter particles in W$^+$W$^-$ events with transverse momentum imbalance in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2358 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 73被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、CMS検出器を用いて13 TeVの陽子-陽子衝突データ（138 fb⁻¹）において、大規模な欠落横断運動量を伴うW⁺W⁻イベントを通じてダークマターを探索した。簡略化されたダークヒッグスモデルにおいて、改善された除外限界を設定し、ダークマター質量が100–300 GeVの領域を探索した。特にダークマター粒子質量が200 GeVの場合、ダークヒッグスボソン質量が160–250 GeVの範囲で感度が向上した。

ABSTRACT

A search for dark matter particles is performed using events with a pair of W bosons and large missing transverse momentum. Candidate events are selected by requiring one or two leptons ($\ell =$ electrons or muons). The analysis is based on proton-proton collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV by the CMS experiment at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. No significant excess over the expected standard model background is observed in the $\ell u$qq and 2$\ell$2$ u$ final states of the W$^+$W$^-$ boson pair. Limits are set on dark matter production in the context of a simplified dark Higgs model, with a dark Higgs boson mass above the W$^+$W$^-$ mass threshold. The dark matter phase space is probed in the mass range 100-300 GeV, extending the scope of previous searches. Current exclusion limits are improved in the range of dark Higgs masses from 160 to 250 GeV, for a dark matter mass of 200 GeV.

研究の動機と目的

• 13 TeVの陽子-陽子衝突において、W⁺W⁻ボソンと大規模な欠落横断運動量を伴う最終状態を用いたダークマター生成を探索すること。
• ダークヒッグスボソン（s）がW⁺W⁻に崩壊し、ダークマター（χ）と標準模型の間の相互作用を媒介する、簡略化されたダークヒッグスモデルを調べること。
• 特に200 GeVのダークマター粒子に対して、100–300 GeVの質量範囲におけるダークマター生成の制約を強化すること。
• ダークヒッグスボソンのW⁺W⁻崩壊チャンネルに注目することで、従来の結果を超えるLHC探索の範囲を拡大すること。

提案手法

• 1つのまたは2つの電荷をもつレプトン（電子またはミューオン）、Wボソン崩壊に由来する2つのジェット、および大規模な欠落横断運動量を有するイベントを選別した。
• 本分析では、CMS実験が収集した13 TeVの陽子-陽子衝突における138 fb⁻¹の統合した放射線量を用いた。
• ℓνqqおよび2ℓ2ν最終状態の信号領域を定義し、1つまたは2つのWボソンがレプトン的崩壊する状況に対応させた。
• 標準模型過程（例：W⁺W⁻、トップクォーク、Drell-Yan）からのバックグラウンドは、データ駆動型手法とモンテカルロシミュレーションを用いて推定した。
• ジェットエネルギースケール、レプトン再構築、欠落横断運動量に関するシステムティック不確実性を評価した。
• 簡略化されたダークヒッグスモデルの文脈において、プロファイル尤度比検定を用いて、ダークヒッグスボソンの結合定数およびダークマター生成断面積の限界を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMS実験は、13 TeVの陽子-陽子衝突において、ダークヒッグスボソンがW⁺W⁻に崩壊する経路を通じたダークマター生成のシグナルを除外または観測できるか？
• RQ2 前回のLHC探索と比較して、簡略化されたダークヒッグスモデルにおけるダークマターの改善された除外限界は何か？
• RQ3 固定されたダークマター質量200 GeVに対して、ダークヒッグスボソン質量100–300 GeVの範囲で探索感度はどのように変化するか？
• RQ4 レプトン的およびハドロン的W崩壊モードの組み込みが、探索の範囲をどの程度向上させるか？
• RQ5 横断運動量の不均衡が、ダークヒッグスボソンモデルのパrameter空間の制約に与える影響は何か？

主な発見

• ℓνqqまたは2ℓ2ν最終状態において、標準模型バックグラウンドを超える顕著な過剰は観測されなかった。
• W⁺W⁻閾値を超えるダークヒッグスボソン質量に対して、簡略化されたダークヒッグスモデルの除外限界が設定された。
• ダークマター粒子質量が200 GeVの場合、前回の探索と比較して、ダークヒッグスボソン質量160–250 GeVの範囲で現在の除外限界が改善された。
• 本分析により、100–300 GeVの質量範囲におけるダークマターの位相空間が探索され、過去のLHC探索の範囲が拡大された。
• 特に200 GeVのダークマターベンチマークに対して、160–250 GeVのダークヒッグスボソン質量窓で感度が向上した。
• 結果は『Journal of High Energy Physics』に掲載され、公的アクセス可能なHepData記録としても提供されている。