[논문 리뷰] Combination and summary of ATLAS dark matter searches interpreted in a 2HDM with a pseudo-scalar mediator using 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV $pp$ collision data

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2921명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터 139 fb⁻¹를 사용하여 ATLAS 암흑물질 탐색을 종합적으로 분석한 것으로, 편미분자 보유 메디에이터를 가진 두 하이그스 두중우 모형(2HDM+𝑎)에서 해석된다. 이는 모형의 매개변수 공간에 대해 지금까지 가장 엄격한 제약 조건을 설정하며, 특히 편미분자 보유 메디에이터 질량, tan 𝛽, 암흑물질 후보 입자 질량에 중점을 둔다.

ABSTRACT

Results from a wide range of searches targeting different experimental signatures with and without missing transverse momentum ($E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$) are used to constrain a Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) with an additional pseudo-scalar mediating the interaction between ordinary and dark matter (2HDM+$a$). The analyses use up to 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during 2015-2018. The results from three of the most sensitive searches are combined statistically. These searches target signatures with large $E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$ and a leptonically decaying $Z$ boson; large $E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$ and a Higgs boson decaying to bottom quarks; and production of charged Higgs bosons in final states with top and bottom quarks, respectively. Constraints are derived for several common and new benchmark scenarios in the 2HDM+$a$.

연구 동기 및 목표

• LHC 데이터를 사용하여 편미분자 보유 메디에이터를 가진 두 하이그스 두중우 모형(2HDM+𝑎)의 매개변수 공간을 제약 조건을 설정하기 위해.
• 결합된 분석에서 결합된 결과를 통계적으로 조합하여, 부족한 횡단 운동량과 특정 최종 상태를 목표로 하는 세 개의 가장 민감한 ATLAS 탐색 결과의 감도를 향상시키기 위해.
• 편미분자 보유 메디에이터 질량(𝑚𝑎), 무거운 하이그스 보손 질량(𝑚𝐴), tan 𝛽, 암흑물질 후보 입자 질량(𝑚𝜒)을 포함한 벤치마크 시나리오를 탐색하기 위해.
• collider 및 천체물리학적 제약 조건과 관련된 2HDM+𝑎 프레임워크의 결합 및 질량 매개변수에 대한 업데이트된 모델 특화 한계를 제공하기 위해.
• 체계적 불확실성과 결합 분석 전반의 상관관계가 최종 통계적 해석에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 세 개의 ATLAS 탐색 결과 통합: (1) 𝐸miss𝑇 + 𝑍 → ℓℓ, (2) 𝐸miss𝑇 + 𝐻 → 𝑏𝑏̄, (3) 𝑊𝑊→𝑡𝑏+𝑗𝑗 및 양성자 하이그스 생성.
• 2015–2018년 동안 ATLAS 검출기에서 수집한 √𝑠 = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹ 프로톤-프로톤 충돌 데이터 사용.
• 신호 모형 단면적에 대한 상한을 설정하기 위해 프로파일-우도 비율 검정 통계를 적용하며, 이를 모형 매개변수에 대한 제약 조건으로 번역.
• 검출기 효과, 배경 모델링, 제트 에너지 스케일을 포함한 채널 간 전반적인 상관관계를 철저히 고려한 체계적 불확실성 통합.
• 신호 및 배경 과정에 대한 시뮬레이션 이벤트 샘플 사용 및 데이터 제어 영역과의 검증.
• 다중 운동량 영역에서의 다중 박스 이탈리안 피팅을 통해 2HDM+𝑎 모형에 대한 감도를 극대화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 런 2의 전체 139 fb⁻¹ 데이터를 사용하여 2HDM+𝑎 모형 매개변수에 대해 가장 엄격한 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ2 𝑚𝑎−𝑚𝐴, 𝑚𝐴−tan 𝛽, 𝑚𝑎−tan 𝛽 평면에서 복합 결과는 개별 탐색 감도를 얼마나 향상시키나요?
• RQ3 혼합 각도 𝜃와 암흑물질 후보 입자 질량 𝑚𝜒를 변화시킬 경우 배제 한계에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 다양한 서명을 통합한 후 2HDM+𝑎 매개변수 공간의 어느 영역에서 모형이 아직 유효한가요?
• RQ5 체계적 불확실성과 그 상관관계는 복합 분석에서 최종 배제 한계에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• 복합 분석은 2HDM+𝑎 모형에 대해 지금까지 가장 엄격한 제약 조건을 설정하였으며, 특히 𝑚𝑎−𝑚𝐴 및 𝑚𝑎−tan 𝛽 평면에서 그렇다.
• 매개변수 공간의 넓은 영역이 배제되며, 특히 𝑚𝑎 < 200 GeV 및 𝑚𝐴 < 500 GeV 조건에서 tan 𝛽에 따라 달라진다.
• 𝑚𝐴−tan 𝛽 평면에서 𝑚𝐴 < 300 GeV 일 때 tan 𝛽 > 10 인 값은 배제되며, 더 높은 𝑚𝐴에서는 tan 𝛽 ≈ 20 까지 감도가 연장된다.
• 특히 𝑚𝑎−𝑚𝜒 평면에서 개별 탐색 결과 대비 감도가 최대 2배까지 향상된다.
• 혼합 각도 𝜃의 변화를 분석한 결과, 제약 조건이 𝜃 ≈ 0.1–0.3 영역에서 가장 민감하며, 자연스러움의 기대와 일치한다.
• 양성자 하이그스 탐색 채널의 포함으로 고-𝑚𝐴 및 고-tan 𝛽 영역에서 감도가 크게 향상되었으며, 이는 다른 서명이 덜 민감한 영역에서 특히 그렇다.