[논문 리뷰] Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 ATLAS 검출기로 13 TeV에서의 140 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 렙톤+젯 최종 상태에서 양자 블랙홀(QBHs)을 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 QBH 생성 단면적에 대한 상한이 설정되었으며, ADD 모델에서는 9.2 TeV, RS1 모델에서는 6.8 TeV의 질량 하한이 도출되었다.

ABSTRACT

A search for quantum black holes in electron+jet and muon+jet invariant mass spectra is performed with 140 fb$^{-1}$ of data collected by the ATLAS detector in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the Large Hadron Collider. The observed invariant mass spectrum of lepton+jet pairs is consistent with Standard Model expectations. Upper limits are set at 95% confidence level on the production cross-sections times branching fractions for quantum black holes decaying into a lepton and a quark in a search region with invariant mass above 2.0 TeV. The resulting quantum black hole lower mass threshold limit is 9.2 TeV in the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali model, and 6.8 TeV in the Randall-Sundrum model.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 양성자-양성자 충돌을 통해 저에너지 스케일 양자 중력 모델, 예를 들어 Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali (ADD) 및 Randall-Sundrum (RS1) 시나리오를 테스트하기 위해.
• 바이론-레프톤 대칭 위반에 민감한, 렙톤(전자 또는 뮤온)과 제트를 포함한 최종 상태에서의 양자 블랙홀(QBH) 생성을 탐색하기 위해.
• 렙톤+젯 채널에서 QBH 생성 단면적과 분해율의 모델 독립적 상한을 설정하기 위해.
• 2.0 TeV 이상의 높은 진동 질량 렙톤+젯 시스템을 활용하여 기본 양자 중력 스케일(MD)에 대한 제약을 강화하기 위해.
• LHC에서의 양자 블랙홀 탐색을 위한 다른 최종 상태(예: 이제트, 이렙톤)와의 보완적 감도를 제공하기 위해.

제안 방법

• ATLAS 검출기가 수집한 √s = 13 TeV에서의 140 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터 분석.
• 고운동량 렙톤과 관련된 제트를 사용하여 렙톤+젯 진동 질량 스펙트럼을 재구성.
• 레프톤 및 제트 운동학, 부족한 횡방향 운동량, 검출기 수용 범위 등의 조건을 적용하여 잠재적 QBH 신호를 분리.
• 모델에서 QBH의 주요 생성 메커니즘으로서 파르티클릭 2-2 산란 과정(예: u u → d̄ ℓ⁺)의 적용.
• 신호 분포를 예측하고 표준모형 배경와 비교하기 위해 QBH 모델/생성기 기반 몽테카를로 시뮬레이션의 활용.
• CLs 방법을 사용한 통계적 평가를 통해 QBH 생성 단면적과 분해율의 곱에 대한 95% 신뢰수준 상한 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2.0 TeV 이상에서 렙톤+젯 진동 질량 스펙트럼에 양자 블랙홀 생성과 일치하는 유의미한 초과가 나타나는가?
• RQ2 95% 신뢰수준에서 렙톤과 쿼크로 붕괴하는 양자 블랙홀의 생성 단면적에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ3 ADD 및 Randall-Sundrum 모델에서의 양자 중력 스케일(MD)에 대한 최종 하한은 무엇인가?
• RQ4 렙톤+젯 채널 결과는 다른 최종 상태(예: 이제트, 이렙톤)와 비교할 때 감도 면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 렙톤+젯 채널은 바이론-레프톤 글로벌 대칭 위반 모델을 어느 정도 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 렙톤+젯 진동 질량 스펙트럼은 배경에 대한 표준모형 예측과 일치하며, 배경을 초과하는 유의미한 초과가 없었다.
• 2.0 TeV 이상의 진동 질량에서 QBH 생성 단면적과 분해율의 곱에 대한 95% 신뢰수준 상한이 설정되었다.
• Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali (ADD) 모델에서의 양자 블랙홀에 대한 질량 하한은 9.2 TeV이다.
• Randall-Sundrum (RS1) 모델에서의 양자 블랙홀에 대한 질량 하한은 6.8 TeV이다.
• 렙톤+젯 채널은 포톤+젯 및 이렙톤 채널보다 더 강력한 상한을 제공하지만, 이젝션 채널보다는 감도가 낮다.
• 결과는 저에너지 스케일 양자 중력 모델에 대한 제약을 강화하였으며, QBH 생성에 대한 모델 독립적 상한을 제공하였다.