[論文レビュー] Search for resonant production of strongly coupled dark matter in proton-proton collisions at 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、√s = 13 TeVで得られた138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いて、強い結合した隠れたセクターからのダークマターに対するコライダー探索を初めて実施した。半可視的（semivisible）なジェットという新しいサーチ署名を提示し、これは共鳴的Z′生成がダークハドロンに崩壊することで生じる。ブーストドリフトツリー（BDT）を用いて、標準模型（SM）ジェットと区別する感度を向上させた。その結果、広範なモデルパラメータの範囲で95%信頼水準においてZ′媒介粒子の質量が5.1 TeVまで排除可能となった。

ABSTRACT

The first collider search for dark matter arising from a strongly coupled hidden sector is presented, using a data sample corresponding to $138\, ext{fb}^{-1}$, collected with the CMS detector at the CERN LHC, at a center-of-mass energy of $13\, ext{TeV}$. The hidden sector is hypothesized to couple to the standard model (SM) via a heavy leptophobic $ ext{Z}^{\prime}$ mediator, which would be produced as a resonance in proton-proton collisions. The mediator decay results in two "semivisible" jets, containing both visible matter and invisible dark matter. The final state therefore includes moderate missing energy aligned with one of the jets, a signature ignored by most dark matter searches. The observed dijet transverse mass spectra are smoothly falling, as expected from the SM; no structure compatible with the signal is observed. Assuming the $ ext{Z}^{\prime}$ and SM Z bosons have the same couplings to the SM quarks, an inclusive search, relevant to any model that exhibits this kinematic behavior, excludes mediator masses of 1.5--$4.0\, ext{TeV}$ at 95% confidence level, depending on the other signal model parameters. To enhance the sensitivity of the search for this particular class of hidden sector models, a boosted decision tree (BDT) is trained using jet substructure variables to distinguish between semivisible jets and SM jets from background processes. When the BDT is employed to identify each jet in the dijet system as semivisible, the mediator mass exclusion increases to $5.1\, ext{TeV}$, for wider ranges of the other signal model parameters.

研究の動機と目的

• 強い結合した隠れたセクターを持つ新しいダークセクター・モデルの探索を目的とし、レプトファブなZ′媒介粒子を介して半可視的ジェットを生成する。
• ジェットと整合する中程度の欠落横断運動量を持つイベントを除外する既存のコライダー探索におけるギャップを埋める。
• ジェットのサブストラクチャ変数を用いて、半可視的ジェットを特定し感度を向上させるためにブーストドリフトツリー（BDT）技術を開発・適用する。
• 13 TeVでの陽子-陽子衝突における強い結合ダークマターの共鳴的生成に対する、初めての直接的除外限界を設定する。
• 従来の探索ではカバーされていなかった中間的な見えない分支数（rinv ≈ 0.5）を有するパラメータ空間をカバーする。

提案手法

• CMS検出器が収集した√s = 13 TeVにおける138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• インクルーシブ探索と専用探索の二段階戦略を提案：インクルーシブ探索は、欠落横断運動量と整合するジェットを持つ任意のモデルに感度を持つ。専用探索では、ジェットのサブストラクチャ変数でトレーニングされたBDTを用いる。
• BDTは、質量、N-サブジェットネス、トラック多重度などの特徴に基づき、可視粒子と不可視粒子を含む半可視的ジェットと標準模型のQCDジェットを区別するようにトレーニングされる。
• 信号モデルでは、クォーク-反クォークの消失から生成されるZ′ボソンが、ダーククォークに崩壊し、それらが安定（ダークマター）および不安定（可視）なダークハドロンにハドロン化すると仮定する。
• 主なバックグラウンドは、誤測定されたジェットを伴うQCDマルチジェット事象およびニュートリノを伴うW/Z + ジェット事象であり、それらを分析で考慮する。
• 95%信頼水準での除外限界は、プロファイル尤度比検定を用いて設定され、信号モデルパラメータにはZ′結合定数とダークハドロンの分支率（rinv）が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コライダー探索は、共鳴的Z′生成と半可視的ジェットのサーチ署名を通じて、強い結合した隠れたセクターからのダークマターを検出可能か？
• RQ2 ジェットのサブストラクチャ変数を用いたブーストドリフトツリー（BDT）は、半可視的ジェットと標準模型のQCDジェットをどれほど効果的に区別できるか？
• RQ3 中間的な見えない分支率（rinv ≈ 0.5）を有するモデルにおいて、Z′媒介粒子の質量に対する除外限界は何か？（既存の探索ではカバーされていない領域）
• RQ4 ジェットのサブストラクチャ情報の組み込みは、標準的なジジェット共鳴探索と比較して、どの程度感度を向上させるか？
• RQ5 この探索は、初めてとして、広範な強い結合した隠れたセクター・モデルのパラメータ空間をどの程度カバーできるか？

主な発見

• ジジェット横断質量スペクトルには顕著な共鳴構造は観測されず、バックグラウンドのみの期待と整合的であった。
• SMクォークへのユニバーサル結合定数が0.25の場合、インクルーシブ探索ではモデルパラメータに応じて1.5〜4.0 TeVのZ′媒介粒子質量が95%信頼水準で除外された。
• BDTを用いて半可視的ジェットを特定した場合、感度が向上し、信号モデルパラメータの広い範囲で除外限界が5.1 TeVまで拡張された。
• BDTベースの解析は、質量、N-サブジェットネス、トラック多重度などのサブストラクチャ特徴を効果的に用いて、半可視的ジェットとQCDバックグラウンドジェットを分離することで、感度を顕著に向上させた。
• 本研究は、LHCにおける陽子-陽子衝突でZ′媒介粒子を介した強い結合ダークマターの共鳴的生成に対する、初めての直接的除外限界を設定した。
• 従来の探索が感度を持たない中間的な見えない分支率（rinv ≈ 0.5）を有するパラメータ空間の未探索領域をカバーした。