[논문 리뷰] Search for Narrow Trijet Resonances in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2361명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2016–2018년 동안 LHC에서 측정한 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 좁은 삼제트 레지온스를 처음으로 탐색한다. 1.75–9.00 TeV 범위에서 표준모형 배경과의 유의미한 편차를 관측하지 못했으며, 오른쪽 수손 Z 보손(ZR)이 세 개의 구만으로 붕괴되는 경우와, 고립된 쿼크가 벡터 보손을 통해 세 개의 쿼크로 붕괴되는 경우에 대해 처음으로 질량 한계를 설정한다. 또한 라디온을 통해 붕괴되는 칼루차–클라인 글루온(gKK)의 경우 기존의 한계를 업데이트한다.

ABSTRACT

The first search for narrow resonances decaying to three well-separated hadronic jets is presented. The search uses proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected at the CERN LHC. No significant deviations from the background predictions are observed between 1.75-9.00 TeV. The results provide the first mass limits on a right-handed boson Z$_{\mathrm{R}}$ decaying to three gluons, an excited quark decaying via a vector boson to three quarks, as well as updated limits on a Kaluza-Klein gluon decaying via a radion to three gluons.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 세 개의 잘 분리된 하드론 제트로 붕괴하는 단일 생성 좁은 레지온스를 탐색한다.
• 오른쪽 수손 Z 보손(ZR), 칼루차–클라인 글루온(gKK), 그리고 고립된 쿼크(q*)가 세 제트로 붕괴하는 새로운 물리 현상 시나리오를 탐색한다.
• 세 개의 구만으로 붕괴되는 오른쪽 수손 Z 보손(ZR)에 대한 처음으로 질량 한계를 제공한다.
• 삼제트 진동 질량 분석을 통해 라디온을 통해 붕괴되는 칼루차–클라인 글루온(gKK)에 대한 기존 한계를 업데이트한다.
• 고운동량 제트를 가진 분리된 삼제트 최종 상태를 대상으로 하여 기존의 이제트 및 캐스케이드 레지온스 탐색을 보완한다.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 LHC에서 CMS 실험에 의해 수집된 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 재구성된 입자로부터 입자 흐름 알고리즘을 사용해 반-kt 알고리즘(R = 0.4)을 적용하여 제트를 재구성한다.
• 삼제트 진동 질량(mjjj) 스펙트럼을 분석하여, 세 개의 분리된 고운동량 제트를 초과하는 구조적 가정 없이 좁은 레지온스를 탐색한다.
• 표준모형 QCD 배경을 데이터 기반으로 추정하기 위해 mjjj 스펙트럼을 부드럽게 감소하는 경험적 함수로 피팅한다.
• 세 가지 벤치마크 신호 모델을 사용한다: ZR → 3g, gKK → 라디온 → 3g, q* → 벡터 보손 → 3q, 질량 비율 ρm = mY/mX가 0.2에서 0.8 사이로 다양하게 설정된다.
• 데이터 기반 배경 추정 및 신호 영역 최적화를 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 감도를 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 좁은 삼제트 레지온스를 관측할 수 있는가? 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 시사하는가?
• RQ2 직접 세 개의 구만으로 붕괴되는 오른쪽 수손 Z 보손(ZR)에 대한 첫 번째 질량 한계는 무엇인가?
• RQ3 삼제트 레지온스 탐색의 감도는 이전의 이제트 및 캐스케이드 붕괴 탐색과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ4 삼제트 최종 상태에서 라디온을 통해 붕괴되는 칼루차–클라인 글루온(gKK)에 대한 업데이트된 한계는 무엇인가?
• RQ5 삼제트 최종 상태에서 새로운 벡터 보손을 통해 붕괴되는 고립된 쿼크(q*)에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?

주요 결과

• 1.75–9.00 TeV 범위에서 삼제트 진동 질량 스펙트럼에서 표준모형 배경 예측과의 유의미한 편차는 관측되지 않았다.
• 세 개의 구만으로 붕괴되는 오른쪽 수손 Z 보손(ZR)에 대해 처음으로 질량 한계를 설정하였으며, 특정 벤치마크 모델에서 9.00 TeV까지 배제 한계가 확장되었다.
• 라디온을 통해 붕괴되는 칼루차–클라인 글루온(gKK)에 대해 업데이트된 한계를 설정하였으며, 삼제트 최종 상태에서 감도가 향상되었다.
• 새로운 벡터 보손을 통해 붕괴되는 고립된 쿼크(q*)에 대해 배제 한계를 설정하였으며, 특정 질량 비율에서 감도가 9.00 TeV까지 연장되었다.
• 특히 중간 단계에서 안정된 상태를 가진 레지온스에 대해 이전의 이제트 및 캐스케이드 붕괴 탐색과 보완적인 감도를 보였다.
• 공개 사용을 위한 복제 가능성과 향후 비교를 지원하기 위해, 결과를 표 형태로 담은 HEPData 기록을 제공한다.