[논문 리뷰] Measurement of dijet angular distributions and search for beyond the standard model physics in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS collaboration|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 0

한 줄 요약

CMS는 13 TeV에서 정규화된 다제트 각도 분포를 측정하고, EW 보정을 포함한 NNLO QCD와 비교하며, 쿼크 구성성, 추가 차원, QBHs, DM 매개자, ALP 및 SMEFT 연산자에 대한 한계를 도출한다.

ABSTRACT

A measurement is presented of dijet angular distributions in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, using data collected with the CMS detector at the CERN LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. For the first time, the dijet angular distributions, corrected for detector effects, are compared with the predictions of perturbative quantum chromodynamics at next-to-next-to-leading order, including next-to-leading-order electroweak corrections. While data are generally found to be in agreement with predictions, a small difference in shape of the normalized distributions is seen for dijet masses ranging from 2.4 to 4.8 TeV and above 6 TeV. The distributions are used to search for proposed signatures of quark compositeness, extra spatial dimensions, quantum black holes, dark-matter mediators, axion-like particles, and anomalous gluon couplings. The most stringent limits to date are set for most of these scenarios. Quark contact interactions are excluded at 95% confidence level (CL) up to a scale of 17 (37) TeV for destructive (constructive) interference in a benchmark scenario, valid to next-to-leading order in quantum chromodynamics, and in which only left-handed quarks participate. The coupling of axion-like particles to the gluon, $c_{ ext{g}}/f_{ ext{a}}$, is constrained to be lower than 0.42 TeV$^{-1}$ at 95% CL. The anomalous triple-gluon coupling, $C_{ ext{G}}/Λ^2$, in a standard model effective field theory is constrained to be lower than 0.0076 TeV$^{-2}$ at 95% CL.

연구 동기 및 목표

• 높은 dijet 질량에서의 dijet 각도 분포에 대한 NNLO 정확도와 함께 NLO EW 보정을 포함한 섭동 QCD 예측을 테스트한다.
• 탐지기 수준 분포를 입자 수준으로 언폴드하고 이론과 비교한다.
• 다양한 M_jj 구간에 걸친 정규화된 χ_dijet 분포에서 표준모델을 초월한 물리(BSM) 시그니처를 탐색한다.
• 쿼크 접촉 상호작용, ADD/EDs, QBHs, DM 매개자, ALP, SMEFT gluon 결합과 같은 BSM 시나리오에 대한 제약을 설정한다.

제안 방법

• 두 개의 선행 제트(leading jets)로, p_T 임계값 500 GeV 및 200 GeV를 사용하여 여러 M_jj 구간에서 탐지기 수준의 χ_dijet 분포를 측정한다.
• 탐지 시뮬레이션에서 유도된 반응 행렬을 이용해 분포를 입자 수준으로 언폴드하여 NNLO+EW 이론과의 비교를 가능하게 한다.
• fastNLO에서 NNLOJET으로 μF=μR=M_jj를 중심 스케일로 사용하여 NNLO QCD 예측을 계산하고, 6개의 스케일 변동과 100개의 NNPDF3.1 복제본으로 스케일/PDF 불확실성을 평가한다.
• QCD 예측에 NLO 전기약(EW) 보정을 적용하고, 대응하는 SM 보정과 함께 LO BSM 예측을 추가하여 QCD+BSM 예측을 얻는다.
• 탐지기 수준 데이터와 QCD+BSM 예측을 우도비(Likelihood ratio)와 CLs 방법을 사용하여 비교하여 BSM 모델을 제약한다.

Figure 1: Example diagrams of dijet production processes in QCD and BSM physics. Upper row: $t$ -channel quark-gluon scattering in QCD (left), quark-quark scattering via a BSM contact interaction (center left), quark pair production through an $s$ -channel BSM resonance (center right), and quark pai

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 정규화된 dijet 각도 분포가 explored된 M_jj 및 χ_dijet 구간 전반에서 NNLO QCD plus NLO EW 보정과 일치하는가?
• RQ2 각각의 각도 분포가 쿼크 구성성, 추가 차원, QBHs, DM 매개자, ALP 또는 SMEFT 연산자와 같은 BSM 물리의 비공명(nonresonant) 또는 공진(resonant) 시그니처를 드러낼 수 있는가?
• RQ3 dijet 각도 분포로부터 CI 스케일 Λ의 다양한 키랄 구조 및 SMEFT C_G/Λ^2와 ADD/GRW/ HLZ 매개변수에 대한 95% CL 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 정규화된 χ_dijet 분포가 NNLO+EW 예측과 일반적으로 일치하며, 일부 높은-M_jj 구간에서 모양 차이가 관찰된다.
• 쿼크 접촉 상호작용에서 Λ±_LL, Λ±_RR, Λ±_VV, Λ±_AA, Λ±(V-A) 시나리오를 포함한 여러 BSM 시나리오에 대해 지금까지의 가장 엄격한 한계가 설정된다.
• 글루온에 대한 축약적 AXION 유사 입자(ALP) 결합 c_g/f_a가 95% CL에서 0.42 TeV^-1 미만으로 제약된다.
• 비정상적 삼중 글루온 결합 C_G/Λ^2이 95% CL에서 0.0076 TeV^-2 미만으로 제약된다.
• m_jj와 결합에 따라 민감도가 달라지는 DM 매개자 시나리오가 탐지되었다.
• SMEFT 차원-6 연산자가 삼중 글루온 상호 작용에 영향을 주는 경우 분석 체계 내에서 제약된다.

Figure 2: Normalized $\chi_{\text{dijet}}$ distributions for the $M_{\mathrm{jj}}$ bins up to 4.8 \TeV . The data distributions at the detector level (points) are compared to NNLO predictions, corrected for the detector response (black dotted lines). The vertical bars on the points represent statist