[논문 리뷰] Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang외 2392명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CMS에서 확보한 138 fb⁻¹의 데이터를 이용해 13 TeV의 프로톤-프로톤 충돌에서 이젯 공명의 공명 및 비공명 쌍 생성을 탐색한다. 이 연구는 고질량 중간 상태를 통한 네 잔여입자 생성의 첫 번째 LHC 한계를 설정하며, 벤치마크 모델에서 7.6 TeV 이하의 디쿼크 질량을 배제하고, R-대칭성 위반 초대칭에서 토프 스쿼크 쌍 생성에 대한 한계를 0.77 TeV까지 연장한다.

ABSTRACT

A search for pairs of dijet resonances with the same mass is conducted in final states with at least four jets. Results are presented separately for the case where the four jet production proceeds via an intermediate resonant state and for nonresonant production. The search uses a data sample corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ collected by the CMS detector in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ =13 TeV. Model-independent limits, at 95% confidence level, are reported on the production cross section of four-jet and dijet resonances. These first LHC limits on resonant pair production of dijet resonances via high mass intermediate states are applied to a signal model of diquarks that decay into pairs of vector-like quarks, excluding diquark masses below 7.6 TeV for a particular model scenario. There are two events in the tails of the distributions, each with a four-jet mass of 8 TeV and an average dijet mass of 2 TeV, resulting in local and global significances of 3.9 and 1.6 standard deviations, respectively, if interpreted as a signal. The nonresonant search excludes pair production of top squarks with masses between 0.50 TeV to 0.77 TeV, with the exception of a small interval between 0.52 and 0.58 TeV, for supersymmetric $R$-parity-violating decays to quark pairs, significantly extending previous limits. Here, the most significant excess above the predicted background occurs at an average dijet mass of 0.95 TeV, for which the local and global significances are 3.6 and 2.5 standard deviations, respectively.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 이젯 공명의 공명 및 비공명 쌍 생성을 탐색한다.
• 95% 신뢰수준에서 네 잔여입자 및 이젯 공명 생성 횡단단면에 대한 모델 독립적 한계를 설정한다.
• 벡터-유사 쿼크가 쿼크-글루온 쌍으로 붕괴하는 모델을 포함한 밸런스 디쿼크 모델에 이러한 한계를 적용한다.
• 특히 쿼크 쌍으로 붕괴하는 토프 스쿼크 쌍 생성에 대해 R-대칭성 위반 초대칭에 대한 제약 조건을 확장한다.
• 해결된 제트 재구성 기법을 사용해 고질량 공명 및 비공명 최종 상태에 대한 감도를 향상시킨다.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용한다.
• 두 가지 전략을 적용한 이중 경로 탐색: 고질량 중간 상태 Y를 통한 공명 생성과 비공명 생성.
• R = 0.7인 반-카이 테이터 알고리즘을 사용해 제트 재구성하고, 개별 제트를 구분하기 위해 운동학적 선택 조건을 적용한다.
• QCD 다중제트 시뮬레이션과 데이터 기반 기법을 사용해 배경 추정을 수행한다.
• 가설 검정 및 신호 횡단단면에 대한 상한을 계산하기 위해 CLs 방법을 사용한다.
• 제어 영역과 체계적 불확실성 평가(제트 에너지 스케일 및 해상도 포함)를 통해 분석을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고질량 중간 상태를 통한 이젯 공명 쌍 생성의 첫 번째 LHC 한계는 무엇인가?
• RQ2 벡처-유사 쿼크가 쿼크-글루온 쌍으로 붕괴하는 특정 시나리오에서 7.6 TeV 이하의 디쿼크 질량을 CMS 실험은 배제할 수 있는가?
• RQ3 R-대칭성 위반 초대칭에서 비공명 쌍 생성 토프 스쿼크에 대한 개선된 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 표준모형 배경을 초월해 네 제트 질량 분포와 이젯 질량 분포에서 관측된 초과는 어느 정도의 통계적 의미를 갖는가?
• RQ5 이 분석은 이젯 최종 상태에서의 토프 스쿼크 쌍 생성에 대해 이전 한계를 어느 정도까지 연장하는가?

주요 결과

• 이 탐색은 고질량 중간 상태를 통한 이젯 공명 쌍 생성에 대해 모델 독립적인 95% 신뢰수준 한계를 설정한다.
• 벡터-유사 쿼크가 쿼크-글루온 쌍으로 붕괴하는 특정 시나리오에서 7.6 TeV 이하의 디쿼크 질량은 배제된다.
• 0.50 TeV에서 0.77 TeV 사이의 질량 범위에서 비공명 쌍 생성 토프 스쿼크는 배제되며, 0.52에서 0.58 TeV 사이의 좁은 창문을 제외하고는 모두 배제된다.
• 8 TeV에서 네 제트 질량 분포 꼬리 부분에 두 개의 사건이 관측되었으며, 국소적 및 전역적 유의수준은 각각 3.9 및 1.6 표준편차였다.
• 비공명 탐색에서 가장 뚜렷한 초과는 평균 이젯 질량 0.95 TeV에서 발생했으며, 국소적 및 전역적 유의수준은 각각 3.6 및 2.5 표준편차였다.
• 이 분석은 R-대칭성 위반 초대칭에서 토프 스쿼크 쌍 생성에 대해 이전 한계를 고질량 영역에서 크게 연장한다.