[論文レビュー] Search for Soft Unclustered Energy Patterns in Proton-Proton Collisions at 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2399 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、2016–2018年のCMSデータ138 fb⁻¹を用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、最初の専用のソフトで非クラスタ化エネルギーパターン（SUEPs）の探索を報告する。研究では、強い結合したダークセクターが等方的で低運動量の粒子の噴出を生成する隠れたバーレイド（Hidden Valley）モデルを対象とし、QCDバックグラウンドを抑制するためにトラック多重度とスフィアシティを用い、スカラー媒介子がSUEPsに崩壊する生成断面積の上限を設定した。

ABSTRACT

The first search for soft unclustered energy patterns (SUEPs) is performed using an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected in 2016-2018 by the CMS detector at the LHC. Such SUEPs are predicted by Hidden Valley models with a new, confining force with a large 't Hooft coupling. In events with boosted topologies, selected by high-threshold hadronic triggers, the multiplicity and sphericity of clustered tracks are used to reject the background from standard model quantum chromodynamics. With no observed excess of events over the standard model expectation, limits are set on the cross section for production via gluon fusion of a scalar mediator with SUEP-like decays.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突において、強い結合したダークセクターを有する隠れたバーレイドモデルが予測する、新たな標準模型外（BSM）の署名であるソフトで非クラスタ化エネルギーパターン（SUEPs）を探索すること。
• SUEPsが従来のトリガーを回避し、低運動量で等方的であるため、積み重ね背景と区別が困難であるという挑戦に応えること。
• 高閾値のハドロン的トリガーを用いて、グルーオン融合によるスカラー媒介子がSUEPsに崩壊する生成断面積について、モデルに依存しない上限を設定すること。
• マルチジェットQCDサンプルを用いて分析フレームワークを検証し、トラック多重度とスフィアシティによるバックグラウンド抑制の堅牢性を確保すること。

提案手法

• 2016–2018年にかけて、√s = 13 TeVでCMS検出器が収集した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いた。
• ブーストしたトポロジーで高いトラック多重度を示す状態に感度を高めるために、高閾値のハドロン的トリガーを適用した。
• 標準模型QCDマルチジェットバックグラウンドの抑制に、トラック多重度とスフィアシティを主要な識別子として用いた。
• スカラー媒介子Sがグルーオン融合で生成され、ダーククォーク-反クォーク対に崩壊する状況を、Ref. [8, 19] を基にしたPYTHIAプラグインを用いてシミュレーションした。
• ダークセクターを、大規模な't Hooft結合を持つ準コンフォーマルで強く結合した系としてモデル化し、軽いダークメソン（ϕ）の等方的シャワーを生成した。これらのメソンはダークフォトン（A′）に崩壊する。
• A′がSM粒子（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻）に即時崩壊すると仮定し、その分岐比はmA′に依存する。また、再結合長が1 mm未満であることを条件として、ずれた頂点シグネチャを回避した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVの陽子-陽子衝突において、既存のLHCトリガーおよび再構成システムを用いて、高多重度で等方的かつ低運動量の粒子からなるSUEPsを検出できるか？
• RQ2 ブーストトポロジーにおいて、トラック多重度とスフィアシティは、QCDマルチジェットバックグラウンドからSUEPに類似した信号をどれほど効果的に識別できるか？
• RQ3 強い結合したダークセクターを有する隠れたバーレイドモデルにおいて、スカラー媒介子がSUEPsに崩壊する生成断面積の上限は何か？
• RQ4 ダークメソン質量（mϕ）、ダーク温度（TD）、ダークフォトン質量（mA′）を変化させた場合、SUEPシグネチャの検出可能性と運動量構造にどのような影響を与えるか？

主な発見

• SUEP探索領域において、標準模型の期待値を上回る有意な過剰事象は観測されなかった。
• スカラー媒介子SがSUEPsに崩壊する生成断面積について、95%信頼水準で上限が設定され、モデルパラメータに応じて0.1〜10 fbの範囲をとった。
• トラック多重度とスフィアシティを用いたQCDマルチジェットバックグラウンドの効果的抑制が達成され、信号効率はSUEPトポロジーに応じて10%〜50%の範囲を示した。
• 上限は、mϕ ≈ 0.5–1.0 GeV、TD/mϕ ≤ 0.25、mA′ = 0.5–1.0 GeVのモデルに最も感度が高く、広範な隠れたバーレイドパラメータ空間をカバーした。
• 総エネルギー損失が10–100 GeV、pT > 100 MeVのトラックが10–100本にわたって分布するSUEPシグネチャに対して感度を有していた。
• 特にmA′ = 1.0 GeVでπ⁺π⁻に100%分岐する場合、mS < 1.5 TeVでSUEP崩壊分岐比が大きいパラメータ領域が除外された。