[논문 리뷰] Search for resonant production of strongly coupled dark matter in proton-proton collisions at 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 √s = 13 TeV에서 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 강하게 결합된 은밀한 섹터에서 온 암흑 물질에 대한 LHC에서의 첫 번째 콜라이더 탐색을 제시한다. 연구에서는 잔여 Z′ 붕괴가 어둠의 하드론으로 분해되어 '반투명' 제트를 생성하는 새로운 서명을 제안하며, 부스터드 디시전 트리(BDT)를 통해 표준모형(SM) 제트와 이를 구별하는 민감도를 향상시킨다. 이에 따라 모델 매개변수의 넓은 범위에서 95% 신뢰수준에서 Z′ 매개체 질량이 최대 5.1 TeV까지 배제된다.

ABSTRACT

The first collider search for dark matter arising from a strongly coupled hidden sector is presented, using a data sample corresponding to $138\, ext{fb}^{-1}$, collected with the CMS detector at the CERN LHC, at a center-of-mass energy of $13\, ext{TeV}$. The hidden sector is hypothesized to couple to the standard model (SM) via a heavy leptophobic $ ext{Z}^{\prime}$ mediator, which would be produced as a resonance in proton-proton collisions. The mediator decay results in two "semivisible" jets, containing both visible matter and invisible dark matter. The final state therefore includes moderate missing energy aligned with one of the jets, a signature ignored by most dark matter searches. The observed dijet transverse mass spectra are smoothly falling, as expected from the SM; no structure compatible with the signal is observed. Assuming the $ ext{Z}^{\prime}$ and SM Z bosons have the same couplings to the SM quarks, an inclusive search, relevant to any model that exhibits this kinematic behavior, excludes mediator masses of 1.5--$4.0\, ext{TeV}$ at 95% confidence level, depending on the other signal model parameters. To enhance the sensitivity of the search for this particular class of hidden sector models, a boosted decision tree (BDT) is trained using jet substructure variables to distinguish between semivisible jets and SM jets from background processes. When the BDT is employed to identify each jet in the dijet system as semivisible, the mediator mass exclusion increases to $5.1\, ext{TeV}$, for wider ranges of the other signal model parameters.

연구 동기 및 목표

• 강하게 결합된 은밀한 섹터를 가진 새로운 어둠의 섹터 모델을 탐색하여, 렙톤을 회피하는 Z′ 매개체를 통해 반투명 제트를 생성하는 것.
• 중간 수준의 미측정 운동량이 제트와 정렬된 사건을 배제하는 기존 콜라이더 탐색의 격차를 메우는 것.
• 제트의 하위구조 변수를 사용하여 반투명 제트를 식별하고 민감도를 향상시키기 위해 부스터드 디시전 트리(BDT) 기법을 개발하고 적용하는 것.
• 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 강하게 결합된 어둠의 물질의 공진 상태 생성에 대한 첫 번째 직접 배제 한계를 설정하는 것.
• 기존 탐색이 감지하지 못하는 중간 수준의 비가시 분해율(rinv ≈ 0.5)을 가진 매개변수 공간을 메우기 위함.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용한다.
• 두 가지 전략을 결합한 탐색 전략을 제안한다: 임의의 제트가 미측정 운동량과 정렬된 모델에 민감한 포함 탐색과, 제트 하위구조 변수를 기반으로 훈련된 BDT를 사용한 전용 탐색.
• BDT는 질량, N-서브제트 노티스, 트랙 수 등 특징을 바탕으로 반투명 제트(가시 및 비가시 입자를 포함)와 표준모형 QCD 제트를 구별하도록 훈련된다.
• 신호 모델은 쿼크-항쿼크 결합에서 생성된 Z′ 보손이 어둠의 쿼크로 붕괴되어 안정(암흑 물질) 및 불안정(가시) 어둠의 하드론으로 결합된다는 가정을 한다.
• 분석은 주로 mismeasured 제트를 포함한 QCD 다중제트 배경과 중성미를 포함한 W/Z + 제트 배경을 고려한다.
• 95% 신뢰수준에서 신호 모델 매개변수인 Z′ 결합 강도와 어둠의 하드론 분해율(rinv)을 포함하여 프로파일-가능도 비율 검정을 통해 배제 한계를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강하게 결합된 은밀한 섹터에서 온 암흑 물질을 공진 상태 Z′ 생성과 반투명 제트 서명을 통해 콜라이더 탐색이 감지할 수 있는가?
• RQ2 제트 하위구조 변수를 사용할 때 부스터드 디시전 트리(BDT)가 반투명 제트를 표준모형 QCD 제트와 구별하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 기존 탐색이 감지하지 못하는 중간 수준의 비가시 분해율(rinv ≈ 0.5)을 가진 모델에서 Z′ 매개체 질량의 배제 한계는 무엇인가?
• RQ4 표준 이중제트 공진 상태 탐색과 비교할 때 제트 하위구조 정보를 포함시키는 것이 민감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 이 탐색이 강하게 결합된 은밀한 섹터 모델의 광범위한 범위를 처음으로 배제할 수 있는 능력은 어느 정도인가?

주요 결과

• 이중제트 횡운동량 스펙트럼에서 유의미한 공진 구조는 관측되지 않았으며, 배경 전용 예측과 일치한다.
• 표준모형 쿼크에 대해 0.25의 통일된 결합 강도를 가질 경우, 포함 탐색는 모델 매개변수에 따라 95% 신뢰수준에서 Z′ 매개체 질량이 1.5에서 4.0 TeV 사이에서 배제된다.
• BDT를 사용하여 반투명 제트를 식별할 경우 민감도가 향상되어 더 넓은 모델 매개변수 범위에서 배제 한계가 5.1 TeV까지 연장된다.
• BDT 기반 분석은 질량, N-서브제트 노티스, 트랙 수 등 하위구조 특징을 효과적으로 활용하여 반투명 제트를 QCD 배경 제트와 분리함으로써 민감도를 크게 향상시킨다.
• 이 연구는 LHC에서 양성자-양성자 충돌에서 Z′ 매개체를 통해 강하게 결합된 어둠의 물질의 공진 상태 생성에 대한 첫 번째 직접 배제 한계를 설정한다.
• 기존 탐색이 감지하지 못하는 중간 수준의 비가시 분해율(rinv ≈ 0.5)을 가진 매개변수 공간 영역을 커버하여, 이전에 탐색되지 않은 영역을 메운다.