[論文レビュー] Search for new physics in dijet final states in ATLAS and CMS

M. Bauce|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCラン2（2015–2016年）中の13 TeVプロトン-プロトン衝突データを用いて、ダイジェット最終状態における新しい物理の包括的探索を提示している。ダイジェットインバリアント質量スペクトルと角度相関を分析することで、両実験は新しい共鳴状態に対してきびしい上限を設定し、励起クォークは6.0 TeVまで、$W'$ボソンは3.6–3.3 TeVまで除外した。標準模型との顕著なずれは観測されなかった。

ABSTRACT

Events containing a pair of high energy hadronic jet can provide clear signatures in the search for new physics at high energy hadron colliders. The ATLAS and CMS experiments collected the data from LHC collisions at $\sqrt{s}$= 13 TeV during 2015 and 2016, looking for evidence of new resonances or deviations from the Standard Model predictions. Althoug no hint of new physics was seen, strong limits have been set on the most interesting benchmark models, improving LHC Run1 reach.

研究の動機と目的

• 13 TeVプロトン-プロトン衝突を用いたLHCにおけるダイジェット最終状態における新しい物理の探索を目的とする。
• ダイジェット共鳴および角度相関のシグネチャーを用いて、$W'$、$Z'$、励起クォーク、量子ブラックホールといったベンチマークモデルをテストすることを目的とする。
• 高度なバックグラウンドモデル化およびジェットのサブストラクチャー技術を用いて、低質量および高質量領域における感度を向上させることを目的とする。
• ダイジェットシグネチャーを用いて、簡略化されたダークマター模型を含む新しい物理モデルの除外限界を設定することを目的とする。
• 高エネルギーのダイジェット最終状態を通じて、標準模型を超える新しい共鳴状態の検出可能性をLHCの到達範囲として探ることを目的とする。

提案手法

• ATLASおよびCMSは、$p_T > 30$ GeVおよび$|\eta| < 2.5$を満たす高エネルギーのダイジェットイベントを用い、$m_{jj}$としてのダイジェットインバリアント質量スペクトルにおける共鳴ピークを探索する。
• CMSは$H_T > 900$ GeVのトリガーを適用し、QCDバックグラウンドをモデル化するために滑らかな解析的フィット式$dN/dm_{jj} = p_1(1-z)^{p_2}z^{p_3}z^{p_4\ln z}$を用いる。ここで$z = m_{jj}/\sqrt{s}$である。
• ATLASは、$m_{jj}$スペクトル全体にわたりバックグラウンド予測を安定化させるために、簡略化された解析的関数を用いたスライディングウィンドウフィット（SWiFt）技術を採用する。
• 低質量共鳴状態のため、CMSはブーストされたダイジェットをワイドジェットとして再構築し、共鳴崩壊を同定するためにサブストラクチャー手法（例：ソフトドロップ）を適用する。
• ATLASおよびCMSは、$p_T > 440$ GeVのISRジェットまたは$p_T > 150$ GeVの光子を用いて、$m_{jj}$の低い領域にアクセスする。
• データ駆動型バックグラウンド推定およびモンテカルロシミュレーションを用いて、一般信号およびベンチマークモデルの生成断面積の上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVの$\sqrt{s}$におけるダイジェット最終状態において、$W'$、$Z'$、励起クォーク、量子ブラックホールといった新しい共鳴状態の除外限界は何か？
• RQ2 ダイジェット角度相関およびジェットサブストラクチャー技術は、低質量および高質量領域における新しい物理の感度をどのように向上させるか？
• RQ3 $m_{jj}$スペクトルに異常なバンプが存在するかどうかを検出可能か？また、そのような現象は新しい物理モデルにどのような意味を持つのか？
• RQ4 SWiFtや解析的フィットといった高度なバックグラウンドモデリング技術は、共鳴状態探索の堅牢性をどのように向上させるか？
• RQ5 ダイジェットシグネチャーは、どのように簡略化されたダークマター模型を制限するか？

主な発見

• 50 GeVから8 TeVの全範囲にわたり、ダイジェットインバリアント質量スペクトルにおいて、標準模型のバックグラウンドから顕著なずれは観測されなかった。
• ATLASおよびCMSの両実験が、励起クォークを6.0 TeVまで除外した。これはラン1の限界に比べて顕著な改善であった。
• ATLASは$W'$ボソンを3.6 TeVまで、CMSは3.3 TeVまで除外した。これはダイジェット共鳴探索に基づくものである。
• CMSは、ワイドジェット技術を用いて100 GeV未満の低質量領域で感度を向上させ、$Z'$に類似した共鳴状態について1.7 TeVまで制限を設定した。
• CMSはワイドジェット質量スペクトルで115 GeV付近に局所的2.9$\sigma$の過剰を観測したが、グローバルな有意水準は2.2$\sigma$であり、新しい物理の証拠とは見なされなかった。
• ISRジェットおよび光子最終状態における$m_{jj}$範囲[303–1493] GeVにおいて、一般のガウス信号は断面積が0.1–0.01 pbを超える場合に除外された。