[論文レビュー] Search for dark mesons decaying to top and bottom quarks in proton-proton collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend+2965 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ATLAS検出器を用いて、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 140 fb⁻¹ を用いて、強い結合型 SU(2) ダークフレーバー対称性モデルにおけるダークメソンの直接探索を初めて実施した。有意な過剰は観測されず、95%信頼水準において、𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.45 の場合、ダークパイオン質量が 940 GeV 未満の領域が除外された。また、𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.25 の場合、740 GeV 未満の領域が除外された。

ABSTRACT

A search for dark mesons originating from strongly-coupled, $SU(2)$ dark flavor symmetry conserving models and decaying gaugephobically to pure Standard Model final states containing top and bottom quarks is presented. The search targets fully hadronic final states and final states with exactly one electron or muon and multiple jets. The analyzed data sample corresponds to an integrated luminosity of 140 $fb^{-1}$ of proton$-$proton collisions collected at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. No significant excess over the Standard Model background expectation is observed and the results are used to set the first direct constraints on this type of model. The two-dimensional signal space of dark pion masses $m_{π_D}$ and dark rho-meson masses $m_{ρ_D}$ is scanned. For $m_{π_D}/m_{ρ_D}=0.45$, dark pions with masses $m_{π_D}<940$ GeV are excluded at the 95% CL, while for $m_{π_D}/m_{ρ_D}=0.25$ masses $m_{π_D}<740$ GeV are excluded.

研究の動機と目的

• 標準模型の電弱群を保存し、キネティック混合を通じて標準模型に結合する強いつながりのSU(2) ダークフレーバー対称性モデルにおけるダークメソンの探索。
• ダークメソンがゲージフォビックにトップおよびボトムクォークを含む純粋な標準模型最終状態に崩壊する『スティールダークマター』モデルの素性を調査。
• ダークセクターがQCDに類似し、ベクトル型フェルミオンを含むモデルにおいて、ダークパイオンおよびダークラメソン質量に対する直接実験的制約を設定。
• 完全ハドロン的および1レプトン最終状態を両方分析し、トップおよびボトムクォークへのダークメソン崩壊に対して感度を最大化。
• LHCラン2のデータを用いて、このクラスのモデルに対する最初の直接的制約を提供。

提案手法

• 固定されたダーク色数 𝑁𝐷 = 4 を持つ簡略化モデルを採用し、スピン0のダークパイオン（𝜋𝐷）およびスピン1のダークラメソン（𝜌𝐷）の質量 𝑚𝜋𝐷 および 𝑚𝜌𝐷 を焦点にした。
• 信号生成過程のシミュレーションに MadGraph5_aMC@NLO を使用。SMの電弱ボソンと 𝜌𝐷 のキネティック混合を通じた共鳴的生成およびDrell–Yan型過程を対象とした。
• 2つの最終状態を分析：完全ハドロン的（複数のジェット、レプトンなし）および1レプトン（1つの電子またはミュオン、複数のジェット）で、𝜋𝐷 → 𝑡𝑏̄ 崩壊をターゲットにした。
• 多変量解析技術を適用し、信号感度を向上。トップクォークの特定には運動量再構成およびジェットのサブストラクチャータグギングを用いた。
• 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バックグラウンド推定を実施。実験的およびモデル化の影響を含む系統的不確実性を評価した。
• 両チャネルの結果をプロファイル尤度比検定を用いて統合し、信号断面積の上限を設定。これにより、(𝑚𝜋𝐷, 𝑚𝜌𝐷) 平面上での除外限界を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージフォビックにトップおよびボトムクォークに崩壊するSU(2) ダークフレーバー対称性モデルにおけるダークパイオン質量に対する直接実験的制約は何か？
• RQ2 このモデルにおいて、ダークメソンの生成および崩壊機構は質量比 𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 にどのように依存するか？
• RQ3 13 TeV におけるATLAS検出器の完全ハドロン的および1レプトン最終状態への感度は、トップおよびボトムクォークへのダークメソン崩壊に対してどの程度か？
• RQ4 ATLAS実験は、トップおよびボトムクォークに崩壊するダークメソンの (𝑚𝜋𝐷, 𝑚𝜌𝐷) パラメータ空間のどの領域を除外できるか？
• RQ5 これらの結果は、特に『スティールダークマター』モデルの文脈において、過去の探索とどのように比較できるか？

主な発見

• 完全ハドロン的および1レプトン最終状態の両方において、標準模型バックグラウンドを上回る有意な過剰は観測されなかった。
• 質量比 𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.45 の場合、95%信頼水準において、ダークパイオン質量が 940 GeV 未満の領域が除外された。
• 𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.25 の場合、740 GeV 未満の領域が95%信頼水準で除外された。
• これらの除外限界は、トップおよびボトムクォークへのゲージフォビック崩壊を伴うこの特定のクラスのSU(2) ダークフレーバー対称性モデルに対する最初の直接的制約である。
• 両最終状態において結果が安定しており、データ駆動型手法と詳細なシミュレーションの妥当性評価により、系統的不確実性が良好に制御された。
• 本分析は、高エネルギー領域におけるトップ-ボトム最終状態のハドロン的崩壊を示す重い共鳴状態に対するATLAS検出器の感度を示した。