[논문 리뷰] Search for dimuon resonance in the 35 to 75 GeV mass range using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 0

한 줄 요약

모델 독립적 저질량 dimuon 공명 탐색(35–75 GeV)과 ATLAS의 140 fb-1의 13 TeV pp 데이터, 백그라운드를 모델링하기 위한 Gaussian process regression 사용; 유의미한 초과 신호 없음 및 fiducial cross-sections 및 DM mediator/dark-photon 모델에 대한 한계 설정.

ABSTRACT

A model-independent search for low-mass resonances decaying into pairs of oppositely charged muons is presented. The analysis uses proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$, recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018. The search targets hypothetical dimuon resonances in the invariant mass range from 35 GeV to 75 GeV. The modelling of this mass region is particularly challenging for conventional analytic background parameterisations. To address this, a Gaussian process regression technique is used to model the background. The dimuon mass spectrum is analysed for potential signals, and no statistically significant excess is observed. Upper limits at the 95% confidence level are set on the fiducial production cross-section of new resonances decaying promptly into muons, ranging from 20 fb to 110 fb, depending on the resonance mass. These results are further interpreted in the context of dark-photon and dark-matter-mediator models, leading to new constraints on their parameter spaces.

연구 동기 및 목표

• 표준 모델을 넘는 암흑 물질 상호작용의 잠재적 지표로서 저질량 dimuon 공명을 동기 부여하고 탐색한다.
• 벤치마크 dark-photon 및 dark-mediator 시나리오에서 해석하는 동시에 모델 독립적 프레임워크를 제공한다.
• 잠재 신호를 추출하기 위해 Gaussian process regression을 사용한 새로운 배경 모형화 접근법을 개발하고 적용한다.
• 35–75 GeV 범위에 걸쳐 잠재 공명의 수용도, 효율성 및 질량 모형화를 정량화한다.

제안 방법

• ATLAS가 수집한 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 140 fb-1(2015–2018)과 unprescaled muon 트리거를 사용한다.
• 동시 신호-배경 적합에서 RBF 커널을 사용한 Gaussian process regression으로 배경을 모형화한다.
• 신호를 Breit–Wigner를 이중 대칭 Crystal Ball 함수와 컨볼루션한 형태로 매개변수화하고 질량을 35에서 75 GeV까지 스캔한다.
• Fiducial 영역을 정의하고 관측된 수율을 교차섹션과 관련시키기 위해 acceptance times efficiency 및 detector efficiency를 계산한다.
• 체계적 불확실성을 nuisance 파라미터로 처리하고, 우도 프레임워크 내에서 이진화된 프로파일 우도 적합을 수행한다.
• 가능한 경우 NNLO로 보정된 LO 신호 샘플을 사용하여 Z′ 및 kinetically mixed dark-photon (Z_D) 벤치마크 모델 측면에서 결과를 해석한다.

((a))

실험 결과

연구 질문

• RQ1 35–75 GeV 범위에서 dimuon 불변 질량 스펙트럼에 통계적으로 유의미한 로컬 초과가 있는가?
• RQ2 새로운 공명이 muon으로 붕괴하는 경우 35–75 GeV 전 범위에서 fiducial 생산 교차섹션 곱하기 분기비의 상한은 무엇인가?
• RQ3 지정된 질량 범위에서 벤치마크 dark-mediator (Z′) 및 dark-photon (Z_D) 모델이 결과에 의해 어떻게 제약되는가?
• RQ4 Gaussian process regression을 사용한 배경 모형화가 잠재적인 모양 시스템오딕에 대해 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 35–75 GeV 질량 범위에서 통계적으로 유의미한 초과가 관측되지 않았다.
• 질량에 따라 20 fb에서 110 fb까지 95% CL 상한이 fiducial cross-section 곱하기 분기비에 대해 설정된다.
• 결과는 dark-photon 및 dark-mediator 모델의 매개변수 공간을 제약하는 것으로 해석된다.
• 35–75 GeV 영역의 배경은 비자명한 구조와 트리거 관련 특징을 다루기 위해 Gaussian process regression으로 모형화된다.
• 신호 모형화는 검출기 분해능 효과를 포착하기 위해 Breit–Wigner와 이중측 Crystal Ball을 결합한다.

((b))