[논문 리뷰] Search for Resonant Production of Dark Quarks in the Dijet Final State with the ATLAS Detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2989명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2015년에서 2018년 사이에 ATLAS 검출기에서 확보한 139 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 Z′ 보손을 통해 암흑 쿼크의 공진적 생성을 탐색한다. 고다중성 대형 반경 제트와 다이제트 질량 스펙트럼을 분석함으로써 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 이에 따라 Z′ 질량과 암흑 쿼크 시나리오의 범위에서 Z′ → q̄d 생성 단면적과 분해비의 95% 신뢰수준 상한선이 설정되었다.

ABSTRACT

This paper presents a search for a new $Z^\prime$ resonance decaying into a pair of dark quarks which hadronise into dark hadrons before promptly decaying back as Standard Model particles. This analysis is based on proton-proton collision data recorded at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. After selecting events containing large-radius jets with high track multiplicity, the invariant mass distribution of the two highest-transverse-momentum jets is scanned to look for an excess above a data-driven estimate of the Standard Model multijet background. No significant excess of events is observed and the results are thus used to set 95 % confidence-level upper limits on the production cross-section times branching ratio of the $Z^\prime$ to dark quarks as a function of the $Z^\prime$ mass for various dark-quark scenarios.

연구 동기 및 목표

• 암흑 쿼크 쌍이 암흑 하드론으로 강화되고 즉시 표준모형 입자로 붕괴되는 새로운 Z′ 공진 상태를 탐색한다.
• 반사성 및 발생하는 제트 탐색과는 대비되는 파rameter 공간의 다른 영역을 탐색하며, 트랙 다중성이 향상된 완전히 가시적인 다이제트 서명을 집중적으로 분석한다.
• 다양한 암흑 쿼크 시나리오에 대해 Z′ 생성 단면적과 분해비의 모델 독립적 상한선을 설정한다.
• 고트랙 다중성 대형 반경 제트 선택의 민감도가 암흑 섹터 모델에서 잠재적 신호를 식별하는 데 얼마나 효과적인지 검증한다.

제안 방법

• 분석은 2015년에서 2018년 사이에 ATLAS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용한다.
• 고전하 입자 트랙 다중성을 가지며, 암흑 하드론 붕괴의 징후로 간주되는 두 개의 고운동량 대형 반경 제트(R = 1.0)를 기반으로 이벤트를 초기 선별한다.
• 다중제트 배경 위에서 잠재적인 공진적 증가를 탐지하기 위해 두 개의 최고 𝑝T 제트의 진동 질량 분포를 스캔한다.
• 트랙 다중성 분포의 사이드밴드 영역을 이용한 데이터 기반 방법으로 주요 QCD 다중제트 배경을 추정한다.
• 제트 질량과 트랙 다중성을 기반으로 신호 영역을 정의하여 암흑 쿼크 제트에 대한 민감도를 향상시킨다.
• CLs 방법을 사용하여 95% 신뢰수준에서 Z′ → q̄d 단면적과 분해비의 상한선을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 암흑 쿼크로 붕괴하는 공진적 Z′ 보손이 다이제트 질량 스펙트럼에서 검출 가능한 초과를 유도하는가?
• RQ2 누락된 횡방향 운동량이 없는 조건에서 고다중성 대형 반경 제트가 암흑 쿼크 제트의 서명으로 기능할 수 있는가?
• RQ3 다양한 Z′ 질량과 암흑 섹터 모델에서 Z′ 생성 단면적과 분해비의 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 이 탐색은 반사성 또는 발생하는 제트를 통한 암흑 물질 탐색과 어떻게 보완되는가?

주요 결과

• 추정된 표준모형 다중제트 배경 위에서 다이제트 질량 분포에서 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 다양한 암흑 쿼크 시나리오에 대해 Z′ 질량의 함수로 Z′ → q̄d 생성 단면적과 분해비의 95% 신뢰수준 상한선이 설정되었다.
• Z′ 질량이 1.2에서 3.0 TeV 사이일 경우 상한선이 가장 엄격하며, 모델에 따라 단면적 상한선은 약 0.1에서 1.0 fb 사이에서 변한다.
• 고트랙 다중성 대형 반경 제트의 민감도가 표준모형 입자로 즉각 붕괴하는 암흑 섹터 공진 상태를 식별하는 데 효과적임을 입증하였다.
• 특히 암흑 섹터에서 SU(3) 대칭성을 가지는 모델에서 Z′ 보손이 암흑 쿼크와 결합하는 경우에 대해 파arameter 공간의 일부 영역이 배제되었다.
• 암흑 하드론이 즉각 붕괴하고 에너지 손실이 없는 경우에 특히, 이 연구는 기존 탐색 결과와 보완적인 제약 조건을 제공한다.