[論文レビュー] Search for Resonant Production of Dark Quarks in the Dijet Final State with the ATLAS Detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2989 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、2015年から2018年にかけてATLAS検出器で収集された139 fb⁻¹のプロトン–プロトン衝突データ（√s = 13 TeV）を用いて、Z′ボソンを介したダーククォークの共鳴的生成を探索する。高多重度の大径径ジャケットと、ジジェット対のインバリアント質量スペクトルの走査により、有意な過剰は観測されず、Z′質量とダーククォークの状況に応じたZ′ → q̄d生成断面積と分支比の95%信頼水準における上限が得られた。

ABSTRACT

This paper presents a search for a new $Z^\prime$ resonance decaying into a pair of dark quarks which hadronise into dark hadrons before promptly decaying back as Standard Model particles. This analysis is based on proton-proton collision data recorded at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. After selecting events containing large-radius jets with high track multiplicity, the invariant mass distribution of the two highest-transverse-momentum jets is scanned to look for an excess above a data-driven estimate of the Standard Model multijet background. No significant excess of events is observed and the results are thus used to set 95 % confidence-level upper limits on the production cross-section times branching ratio of the $Z^\prime$ to dark quarks as a function of the $Z^\prime$ mass for various dark-quark scenarios.

研究の動機と目的

• 新しいZ′共振子がダブルダーククォークに崩壊し、それらがダークハドロンにハドロン化した後、即座に標準模型粒子に崩壊するのを探索すること。
• 半可視的・発生するジャケット探索とは異なったパラメータ空間の領域を探索し、トラック多重度が高めの完全に可視的なジジェット対の署名に注目すること。
• さまざまなダーククォークの状況に対して、Z′生成断面積と分支比のモデルに依存しない上限を設定すること。
• 高トラック多重度の大径径ジャケット選択の感度が、ダークセクター・モデルからの可能性のある信号を同定するのに有効であることを検証すること。

提案手法

• 本分析では、2015年から2018年にかけてATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹のプロトン–プロトン衝突データ（√s = 13 TeV）を用いる。
• イベントは、高電荷粒子トラック多重度を示す2つの高横運動量の大径径ジャケット（R = 1.0）に基づいて事前選択される。これはダークハドロンの崩壊に起因するものとされる。
• 2つの最高𝑝Tジャケットのインバリアント質量分布を、マルチジェット背景上での共鳴的増強を探索するために走査する。
• 主要なQCDマルチジェット背景は、トラック多重度分布におけるサイドバンド領域を用いたデータ駆動型手法で推定される。
• 信号領域はジャケット質量とトラック多重度に基づいて定義され、ダーククォークジャケットへの感度を高める。
• CLs手法を用いて、95%信頼水準におけるZ′ → q̄d断面積と分支比の上限が設定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴的Z′ボソンがダーククォークに崩壊すると、ジジェット対のインバリアント質量スペクトルに検出可能な過剰が現れるか？
• RQ2 高多重度の大径径ジャケットは、横断的運動量の欠損がない状況下でダーククォークジャケットの署名として機能できるか？
• RQ3 Z′質量とダークセクター・モデルの違いに応じて、Z′生成断面積と分支比の制限はどのように変化するか？
• RQ4 この探索は、半可視的または発生するジャケットを介したダークマター探索とどのように補完的か？

主な発見

• 推定された標準模型マルチジェット背景上でのジジェット対インバリアント質量分布に有意な過剰は観測されなかった。
• さまざまなダーククォークの状況に対して、Z′質量の関数としてZ′ → q̄d生成断面積と分支比の95%信頼水準における上限が設定された。
• Z′質量が1.2〜3.0 TeVの範囲で上限が最も厳しく、モデルに応じて断面積上限は約0.1〜1.0 fbの範囲となった。
• 本分析は、標準模型粒子に即座に崩壊するダークセクター共鳴子に対して、高トラック多重度の大径径ジャケットの感度を示した。
• 特にダークセクターにSU(3)対称性を有するモデルでは、Z′ボソンがダーククォークに結合するパラメータ空間の特定領域が除外された。
• 本研究は、ダークハドロンが即座に崩壊し、エネルギー欠損を生じさせない状況において、既存の探索とは補完的な制限を提供する。