[논문 리뷰] Search for dark matter particles in W$^+$W$^-$ events with transverse momentum imbalance in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2358명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 73인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 CMS 검출기로 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용해 W⁺W⁻ 사건과 큰 미량 횡방향 운동량을 가진 경우에 어두운 물질을 탐색한다. 단순화된 어둠의 힉스 모형에서 개선된 배제 한계를 설정하였으며, 어둠의 물질의 위상공간을 100–300 GeV 범위에서 탐색하였고, 어둠의 물질 입자가 200 GeV일 경우 어둠의 힉스 보손 질량이 160–250 GeV 사이일 때 감도가 향상되었다.

ABSTRACT

A search for dark matter particles is performed using events with a pair of W bosons and large missing transverse momentum. Candidate events are selected by requiring one or two leptons ($\ell =$ electrons or muons). The analysis is based on proton-proton collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV by the CMS experiment at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. No significant excess over the expected standard model background is observed in the $\ell u$qq and 2$\ell$2$ u$ final states of the W$^+$W$^-$ boson pair. Limits are set on dark matter production in the context of a simplified dark Higgs model, with a dark Higgs boson mass above the W$^+$W$^-$ mass threshold. The dark matter phase space is probed in the mass range 100-300 GeV, extending the scope of previous searches. Current exclusion limits are improved in the range of dark Higgs masses from 160 to 250 GeV, for a dark matter mass of 200 GeV.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 W⁺W⁻ 보손과 큰 미량 횡방향 운동량을 가진 최종 상태를 이용해 어둠의 물질 생성을 탐색하기 위해.
• 어둠의 힉스 보손(s)이 W⁺W⁻로 붕괴하고 어둠의 물질(χ)과 표준모형 간 상호작용을 매개하는 단순화된 어둠의 힉스 모형을 탐색하기 위해.
• 특히 어둠의 물질 질량이 200 GeV일 경우 어둠의 물질 생성에 대한 제약 조건을 질량 범위 100–300 GeV에서 개선하기 위해.
• 어둠의 힉스 보손의 W⁺W⁻ 붕괴 채널을 대상으로 하여 이전 결과를 초월해 LHC 탐색의 영향 범위를 확장하기 위해.

제안 방법

• 일반 또는 두 개의 충전 입자 레이턴트(전자 또는 뮤온), W 보손 붕괴에서 유래한 두 개의 제트, 그리고 큰 미량 횡방향 운동량을 가진 사건을 선별한다.
• CMS 실험에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 통합 루미너시를 사용한다.
• ℓνqq 및 2ℓ2ν 최종 상태에 해당하는 신호 영역을 정의하며, 이는 하나 또는 두 개의 W 보손이 레이턴트 방식으로 붕괴하는 경우를 의미한다.
• 표준모형 과정(예: W⁺W⁻, 쿼크, Drell-Yan)의 배경는 데이터 기반 방법과 몬테카를로 시뮬레이션을 이용해 추정한다.
• 제트 에너지 스케일, 레이턴트 재구성, 그리고 미량 횡방향 운동량에 대한 체계적 불확실성을 평가한다.
• 단순화된 어둠의 힉스 모형의 맥락에서 프로파일-가능도 비율 검정을 사용하여 어둠의 힉스 보손 결합 및 어둠의 물질 생성 단면적에 대한 한계를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMS 실험은 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 어둠의 힉스 보손이 W⁺W⁻로 붕괴하는 방식으로 어둠의 물질 생성의 징후를 배제하거나 관측할 수 있는가?
• RQ2 이전 LHC 탐색에 비해 단순화된 어둠의 힉스 모형에서 어둠의 물질에 대한 개선된 배제 한계는 무엇인가?
• RQ3 고정된 어둠의 물질 질량 200 GeV일 때 어둠의 힉스 보손 질량 범위 100–300 GeV에서 탐색 감도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 레이턴트 및 하드론적 W 붕괴 모드를 포함함으로써 탐색의 영향 범위는 얼마나 향상되는가?
• RQ5 횡방향 운동량 불균형은 어둠의 힉스 모형의 매개변수 공간 제약에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ℓνqq 또는 2ℓ2ν 최종 상태에서 표준모형 배경에 비해 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• W⁺W⁻ 임계값 이상의 어둠의 힉스 보손 질량을 가진 단순화된 어둠의 힉스 모형에 대해 배제 한계가 설정되었다.
• 어둠의 물질 입자 질량이 200 GeV일 경우, 이전 탐색에 비해 어둠의 힉스 보손 질량 범위 160–250 GeV에서 현재의 배제 한계가 향상되었다.
• 이 분석은 어둠의 물질 위상공간을 질량 범위 100–300 GeV에서 탐색하였으며, 이는 이전 LHC 탐색의 영향 범위를 확장하였다.
• 특히 200 GeV 어둠의 물질 벤치마크에서 어둠의 힉스 보손 질량 창문 160–250 GeV에서 감도가 향상되었다.
• 결과는 저널 오브 하이 엔رج리 페르지컬 포스터에 게재되었으며, 공개 접근을 위한 HEPData 레코드에서 이용 가능하다.