[논문 리뷰] Search for Inelastic Dark Matter in Events with Two Displaced Muons and Missing Transverse Momentum in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2353명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 비탄성 다크 물질(IDM)에 대한 전용 콜라이더 탐색을 처음으로 제시한다. 이 연구는 두 개의 이격된 비공진성 뮤온과 미량의 횡방향 운동량을 가진 사건을 대상으로 하며, 다크 포톤을 통해 생성되고 붕괴하는 IDM 모델을 탐색하기 위해 특수한 이격 뮤온 재구성 알고리즘을 적용한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 다크 물질 질량이 3–80 GeV 사이인 경우 생산 단면적과 붕괴 분율의 곱에 대한 새로운 상한선이 설정되었다.

ABSTRACT

A search for dark matter in events with a displaced muon pair and missing transverse momentum is presented. The analysis is performed using an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV produced by the LHC in 2016-2018. No significant excess over the predicted backgrounds is observed. Upper limits are set on the product of the inelastic dark matter production cross section $\sigma$(pp $ o$ A' $ o$$\chi_1$$\chi_2$) and the decay branching fraction $\mathcal{B}$($\chi_2$$ o$$\chi_1\mu^+\mu^-$), where A' is a dark photon and $\chi_1$ and $\chi_2$ are dark matter states with near mass degeneracy. This is the first dedicated collider search for inelastic dark matter.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 비탄성 다크 물질(IDM)을 탐색하며, 이는 이전에 전용 콜라이더 탐색이 이루어지지 않은 영역이다.
• 다크 포톤 A′가 두 개의 거의 딱 맞는 다크 섹터 상태 χ₁과 χ₂로 붕괴하고, χ₂가 나중에 χ₁과 뮤온 쌍으로 붕괴하는 IDM 모델을 탐색한다.
• 저질량, 장수하는 다크 물질에 대한 감도를 향상시키기 위해, 표준 프롬프트 또는 공진 탐색에서 빠지는 연약하고 이격된 비공진성 딤투론 최종 상태를 대상으로 한다.
• 이격된 뮤온과 고립 조건을 적용하여 배경 오염을 줄이며, 압축된 스펙트럼에 대한 더 깔끔한 신호 선택을 가능하게 한다.

제안 방법

• 장수하는 χ₂ 붕괴에서 기인한 뮤온을 식별하기 위해 전용 이격 뮤온 재구성 알고리즘을 사용한다. 이는 상당한 붕괴 길이(센티미터 스케일)를 가진다.
• 표준 모형 배경을 억제하기 위해 고립 조건과 함께 횡방향 운동량(pTmiss)을 포함한 이벤트 선택 기준을 적용한다.
• 초기 상태 복사에서 기인한 반작용 제트를 식별하기 위해 운동량 재구성 기법을 구현하여 트리거 효율을 향상시킨다.
• 신호를 σ(pp → A′ → χ₁χ₂) × B(χ₂ → χ₁µ⁺µ⁻)로 모델링하며, 작은 질량 분리 ∆ ≈ m₁의 10–40%로 인해 연약하고 충합된 뮤온이 생성된다.
• 편향을 피하기 위해 블라인드 분석을 수행하며, 신호 영역은 이격된 뮤온 쌍과 높은 pTmiss로 정의된다.
• 신호 수용율과 배경 추정치를 결정하기 위해 시뮬레이션된 신호 및 배경 샘플을 사용하며, 제어 영역에서 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접한 딱 맞는 다크 섹터 상태를 가진 비탄성 다크 물질 모델은 이격된 딤투론 서명을 통해 LHC에서 탐색될 수 있는가?
• RQ2 CMS 실험은 다크 물질 질량이 3–80 GeV 사이이고 이격된 뮤온 붕괴를 보이는 IDM 생성에 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ3 이격된 뮤온 재구성과 고립 조건은 연약하고 비공진성 딤투론 최종 상태에 대해 표준 모형 배경을 얼마나 효과적으로 억제하는가?
• RQ4 이 구조에서 IDM 생성 단면적과 µ⁺µ⁻ 최종 상태로의 분율 곱에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 이 탐색 기법은 공진 붕괴 슈퍼대칭 상태와 같은 다른 압축 스펙트럼 모델로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 신호 영역에서 표준 모형 배경을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 관측된 및 예상된 배경 수확은 오차 범위 내에서 일치한다.
• 다크 물질 질량이 3에서 80 GeV 사이인 경우, 비탄성 다크 물질 생성 단면적과 분율 B(χ₂ → χ₁µ⁺µ⁻)의 곱에 대한 상한선이 설정되었다.
• 매우 이격되고 저질량인 신호 가설에 대해 신호 선택 효율이 최소 10⁻⁴에 이르며, 도전적인 최종 상태에 대한 감도를 입증한다.
• 이 상한선은 고정 타겟 및 직접 탐측 실험의 기존 제약 조건과 경쟁 가능하며, 특히 다크 물질 질량이 3–80 GeV 범위에서 뛰어나다.
• 이 연구는 비공진성 및 이격된 최종 상태를 대상으로 하는 콜라이더 탐색의 새로운 벤치마크를 설정하였으며, rich한 다크 섹터를 가진 모델의 향후 탐색에 대한 함의를 지닌다.
• 결과는 HEPData 기록에서 공개되어 있으며, 다른 모델에 대한 재해석과 향후 분석을 가능하게 한다.