[論文レビュー] Search for Inelastic Dark Matter in Events with Two Displaced Muons and Missing Transverse Momentum in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2353 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、CMSが取得した138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における非弾性ダークマター（IDM）の最初の専用コライダー探索を提示する。2つの非共鳴的でずれたミュオンと運動量の欠損を有するイベントを対象とし、ダークフォトン媒介の生成と崩壊を伴うIDMモデルを調査するために、特別に設計されたずれたミュオン再構成アルゴリズムを採用している。有意な過剰は観測されず、ダークマス質量が3–80 GeVの範囲で、生成断面積と崩壊分支比の積に関する新しい上限が得られた。

ABSTRACT

A search for dark matter in events with a displaced muon pair and missing transverse momentum is presented. The analysis is performed using an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV produced by the LHC in 2016-2018. No significant excess over the predicted backgrounds is observed. Upper limits are set on the product of the inelastic dark matter production cross section $\sigma$(pp $ o$ A' $ o$$\chi_1$$\chi_2$) and the decay branching fraction $\mathcal{B}$($\chi_2$$ o$$\chi_1\mu^+\mu^-$), where A' is a dark photon and $\chi_1$ and $\chi_2$ are dark matter states with near mass degeneracy. This is the first dedicated collider search for inelastic dark matter.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における非弾性ダークマター（IDM）を、これまで専用コライダー探索が行われなかった√s = 13 TeVの領域で探索すること。
• 2つのほぼ縮退したダークセクター状態χ₁とχ₂を生成し、χ₂が後にχ₁とミュオン対に崩壊するダークフォトンA′を特徴とするIDMモデルを調査すること。
• 低質量で長寿命のダークマターに対する感度を向上させるために、ソフトでずれた非共鳴的二ミュオン最終状態を標的とし、従来の即時または共鳴的探索では見逃される状態をカバーすること。
• ずれたミュオンの要件と分離条件を課すことにより、背景を低減し、圧縮スペクトルの信号選別をより明確にすること。

提案手法

• 長寿命のχ₂崩壊に起因するミュオンを特定する専用のずれたミュオン再構成アルゴリズムを用いる。これは、明確な崩壊長（cmスケール）を示す。
• 分離要件と運動量の欠損（pTmiss）を含むイベント選別基準を適用し、標準模型背景を抑制する。
• 初期状態放射による反跳ジェットを伴う二つのずれたミュオンを有するイベントを特定するための運動量再構成技術を実装する。これによりトリガー効率が向上する。
• 信号をσ(pp → A′ → χ₁χ₂) × B(χ₂ → χ₁µ⁺µ⁻)としてモデル化し、m₁の10–40%程度の小さな質量差∆を想定する。これにより、ソフトで凝集したミュオンが生じる。
• バイアスを避けるために、盲検分析を実施し、信号領域をずれたミュオン対と高いpTmissを満たすものとして定義する。
• シミュレートされた信号および背景サンプルを用いて、信号受容率と背景推定値を決定し、制御領域での妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近似的に縮退したダークセクター状態を有する非弾性ダークマター・モデルは、LHCでずれた二ミュオンの署名を介して探査可能か？
• RQ2 CMS実験は、ダークマス質量が3–80 GeVで、ずれたミュオン崩壊を伴うIDM生成に対してどの程度の感度を持つか？
• RQ3 ソフトで非共鳴的な二ミュオン最終状態に対して、ずれたミュオン再構成と分離条件は、標準模型背景をどの程度効果的に低減できるか？
• RQ4 このトポロジーにおいて、IDM生成断面積とµ⁺µ⁻最終状態への分支比の積に対する制限は何か？
• RQ5 この探索手法は、共殞する超対称状態のような他の圧縮スペクトルモデルへ一般化可能か？

主な発見

• 信号領域において、標準模型背景を超える有意な過剰は観測されず、観測値と期待値の背景率は誤差の範囲で一致した。
• ダークマス質量が3から80 GeVの範囲で、非弾性ダークマター生成断面積と分支比B(χ₂ → χ₁µ⁺µ⁻)の積に関する上限が設定された。
• 非常にずれた低質量の信号仮説に対して、信号選別効率が10⁻⁴にまで低下するが、依然として挑戦的な最終状態に感度を持つことを示した。
• 既存の固定標的に基づく実験および直接検出実験からの制限と同等の性能を示し、特に3–80 GeVのダークマス質量範囲で顕著であった。
• 非共鳴的でずれた最終状態を標的とするコライダー探索の新しい基準を確立した。これは、豊富なダークセクター構造を持つモデルにおける今後の探索に影響を与える。
• 結果はHEPDataレコードとして公開されており、他のモデルの再解釈や今後の分析に利用可能である。