[論文レビュー] Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

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、レプトン＋ジェット最終状態における量子ブラックホール（QBH）の探索を行った。有意な過剰は観測されず、95%信頼水準におけるQBH生成断面積の上限が設定され、ADDモデルでは9.2 TeV、RS1モデルでは6.8 TeVの質量下限が得られた。

ABSTRACT

A search for quantum black holes in electron+jet and muon+jet invariant mass spectra is performed with 140 fb$^{-1}$ of data collected by the ATLAS detector in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the Large Hadron Collider. The observed invariant mass spectrum of lepton+jet pairs is consistent with Standard Model expectations. Upper limits are set at 95% confidence level on the production cross-sections times branching fractions for quantum black holes decaying into a lepton and a quark in a search region with invariant mass above 2.0 TeV. The resulting quantum black hole lower mass threshold limit is 9.2 TeV in the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali model, and 6.8 TeV in the Randall-Sundrum model.

研究の動機と目的

• 高エネルギー陽子-陽子衝突を用いて、Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali（ADD）およびRandall-Sundrum（RS1）のような低スケール量子重力モデルを検証すること。
• バリオン-レプトン対称性の破れに敏感な、電荷を帯びたレプトン（電子またはミュオン）とジェットを含む最終状態における量子ブラックホール（QBH）生成の探索。
• レプトン＋ジェットチャンネルにおけるQBH生成断面積×分支比に対して、モデルに依存しない上限を設定すること。
• 2.0 TeVを超える高いインバリアント質量を持つレプトン＋ジェット系を活用して、基礎的量子重力スケール（MD）の制約を強化すること。
• LHCにおける量子ブラックホール探索の広範な調査において、他の最終状態（例：ジジェット、ジレプトン）と比較して、補足的な感度を提供すること。

提案手法

• ATLAS検出器が収集した、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 140 fb⁻¹ の解析。
• 高運動量の電子およびミュオンと関連するジェットを用いた、レプトン＋ジェットインバリアント質量スペクトルの再構築。
• QBH信号を隔離するために、レプトンおよびジェットの運動学的条件、欠落横断運動量、検出器の到達率を満たすイベント選択基準の適用。
• QBH生成の主なメカニズムとして、一部の一部粒子2対2散乱過程（例：u u → d̄ ℓ⁺）を用いる。
• QBHモデル／ジェネレータに基づくモンテカルロシミュレーションを用いて、信号分布を予測し、標準模型のバックグラウンドと比較。
• CLs法を用いた統計的評価により、QBH生成断面積×分支比の95%信頼水準における上限を設定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2.0 TeVを超える領域で、インバリアント質量スペクトルに量子ブラックホール生成に一致する有意な過剰が観測されるか？
• RQ2 95%信頼水準における、レプトンとクォークに崩壊する量子ブラックホールの生成断面積の上限は何か？
• RQ3 ADDモデルおよびランダール＝サンダー（RS1）モデルにおける量子重力スケール（MD）の下限は何か？
• RQ4 ジジェットチャンネルの結果は、他の最終状態（例：ジジェット、ジレプトン）と比較して感度にどのように差が出るか？
• RQ5 レプトン＋ジェットチャンネルは、バリオン-レプトングローバル対称性の破れを示すモデルをどの程度制約できるか？

主な発見

• 観測されたレプトン＋ジェットインバリアント質量スペクトルは、標準模型の予想と整合しており、バックグラウンドを超える有意な過剰は観測されなかった。
• 2.0 TeVを超えるインバリアント質量領域に対して、QBH生成断面積×分支比の95%信頼水準における上限が設定された。
• Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali（ADD）モデルにおける量子ブラックホールの質量下限は9.2 TeVであった。
• Randall-Sundrum（RS1）モデルにおける量子ブラックホールの質量下限は6.8 TeVであった。
• レプトン＋ジェットチャンネルは、フォトン＋ジェットおよびジレプトンチャンネルよりも強い上限を提供したが、ジジェットチャンネルほど感度は高くなかった。
• 結果として、低スケール量子重力モデルの制約が強化され、QBH生成に対してモデルに依存しない上限が得られた。