[논문 리뷰] Search for new physics in dijet final states in ATLAS and CMS

M. Bauce|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 2(2015–2016) 동안 ATLAS 및 CMS 실험에서 확보한 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 이용해 이제트 최종 상태에서의 새로운 물리 현상을 종합적으로 탐색한다. 이중제트 진동 질량 스펙트럼과 각도 상관관계를 분석함으로써, 두 실험은 새로운 공명에 대한 엄격한 제한을 설정하였으며, 6.0 TeV까지의 진동 상태를 갖는 쿼크의 자극 상태와 3.6–3.3 TeV까지의 $W'$ 보손을 배제하였다. 표준모형과의 뚜렷한 이탈은 관측되지 않았다.

ABSTRACT

Events containing a pair of high energy hadronic jet can provide clear signatures in the search for new physics at high energy hadron colliders. The ATLAS and CMS experiments collected the data from LHC collisions at $\sqrt{s}$= 13 TeV during 2015 and 2016, looking for evidence of new resonances or deviations from the Standard Model predictions. Althoug no hint of new physics was seen, strong limits have been set on the most interesting benchmark models, improving LHC Run1 reach.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌을 이용해 이제트 최종 상태에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 이제트 공명 및 각도 상관관계 서명을 통해 $W'$, $Z'$, 자극 상태 쿼크, 양자 블랙홀과 같은 벤치마크 모델을 테스트하기 위해.
• 고도화된 배경 모델링 및 제트 서브스트럭처 기법을 활용해 저질량 및 고질량 영역에서 감도를 향상시키기 위해.
• 이제트 서명을 이용해 단순화된 어둠의 물질 모델을 포함한 새로운 물리 모델의 배제 한계를 설정하기 위해.
• 고에너지 이중제트 최종 상태를 통해 표준모형을 초월한 새로운 공명을 탐지할 수 있는 LHC의 탐지 능력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• ATLAS와 CMS는 $p_T > 30$ GeV 및 $|\eta| < 2.5$ 조건을 만족하는 고에너지 이중제트 이벤트를 이용해 이중제트 진동 질량 스펙트럼 $m_{jj}$ 에서 공명 피크를 탐색한다.
• CMS는 $H_T > 900$ GeV 트리거를 적용하고, QCD 배경을 모델링하기 위해 $z = m_{jj}/\sqrt{s}$ 를 사용하는 매끄러운 분석적 피팅 $dN/dm_{jj} = p_1(1-z)^{p_2}z^{p_3}z^{p_4\ln z}$ 를 사용한다.
• ATLAS는 $m_{jj}$ 스펙트럼 전반에서 배경 예측을 안정화하기 위해 단순화된 분석적 함수를 사용하는 슬라이딩 윈도우 피팅(SWiFt) 기법을 활용한다.
• 저질량 공명에 대해 CMS는 부스터된 이중제트를 넓은 제트로 재구성하고, 서브스트럭처 알고리즘(예: 소프트 드롭)을 적용해 공명 붕괴를 식별한다.
• ATLAS와 CMS는 저 $m_{jj}$ 영역에 접근하기 위해 ISR 제트 또는 광자를 포함한 이벤트를 분석하며, 제트의 경우 $p_T > 440$ GeV, 광자의 경우 $p_T > 150$ GeV 를 사용한다.
• 데이터 기반 배경 추정 및 몬테카를로 시뮬레이션을 활용해 일반 신호 및 벤치마크 모델의 생성 단면적에 대한 제한을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형을 초월한 새로운 공명, 예를 들어 $W'$, $Z'$, 자극 상태 쿼크, 양자 블랙홀에 대해 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 이중제트 최종 상태에서의 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 이중제트 각도 상관관계 및 제트 서브스트럭처 기법은 저질량 및 고질량 영역에서 새로운 물리 현상 탐지에 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 이중제트 질량 스펙트럼에서 비정상적인 볼록한 피크가 관측될 수 있으며, 그로 인해 새로운 물리 모델에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 SWiFt 및 분석적 피팅과 같은 고도화된 배경 모델링 기법은 공명 탐색의 정밀도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 어떤 정도까지 이제트 서명은 단순화된 어둠의 물질 모델을 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 50 GeV에서 8 TeV의 전체 범위에서 표준모형 배경과의 뚜렷한 이탈은 관측되지 않았다.
• ATLAS와 CMS 모두 자극 상태 쿼크는 질량 6.0 TeV까지 배제하였으며, 이는 런 1의 한계에 비해 상당한 향상이다.
• ATLAS는 이중제트 공명 탐색 기반으로 $W'$ 보손을 3.6 TeV까지, CMS는 3.3 TeV까지 배제하였다.
• CMS는 넓은 제트 기법을 사용해 100 GeV 이하의 저질량 영역에서 감도가 향상되어, 이중제트 최종 상태에서 $Z'$ 유사 공명에 대해 1.7 TeV까지의 제한을 설정하였다.
• CMS는 넓은 제트 질량 스펙트럼에서 115 GeV에서 局소 2.9$\sigma$ 초과를 관측하였으며, 전역 유의수준은 2.2$\sigma$ 였지만, 새로운 물리 현상의 증거로 간주되지 않았다.
• ISR 제트 및 광자 최종 상태에서 $m_{jj}$ 범위 [303–1493] GeV 내에서 일반적인 가우시안 신호는 단면적 0.1–0.01 pb 이상에서 배제되었다.