[论文解读] Combination and summary of ATLAS dark matter searches interpreted in a 2HDM with a pseudo-scalar mediator using 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV $pp$ collision data

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2921 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文基于LHC Run 2期间收集的139 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√s = 13 TeV），对ATLAS实验中暗物质搜寻结果进行了联合分析，模型设定为具有伪标量介子的双 Higgs双生模型（2HDM+𝑎）。该研究对模型参数空间设定了迄今为止最严格的约束，尤其在伪标量介子质量、tan 𝛽 及暗物质候选者质量等参数区域表现显著。

ABSTRACT

Results from a wide range of searches targeting different experimental signatures with and without missing transverse momentum ($E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$) are used to constrain a Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) with an additional pseudo-scalar mediating the interaction between ordinary and dark matter (2HDM+$a$). The analyses use up to 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during 2015-2018. The results from three of the most sensitive searches are combined statistically. These searches target signatures with large $E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$ and a leptonically decaying $Z$ boson; large $E_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}}$ and a Higgs boson decaying to bottom quarks; and production of charged Higgs bosons in final states with top and bottom quarks, respectively. Constraints are derived for several common and new benchmark scenarios in the 2HDM+$a$.

研究动机与目标

• 利用LHC数据对具有伪标量介子的双 Higgs双生模型（2HDM+𝑎）的参数空间进行约束。
• 通过统计方法合并ATLAS三项最灵敏的搜寻结果，目标为缺失横向动量及特定末态，以提升灵敏度。
• 探索涉及伪标量介子质量（𝑚𝑎）、重希格斯玻色子质量（𝑚𝐴）、tan 𝛽 及暗物质候选者质量（𝑚𝜒）的基准情景。
• 为2HDM+𝑎框架中的耦合和质量参数提供更新的、与模型相关的限制，该结果对对撞机和天体物理约束具有参考价值。
• 评估系统性不确定性和联合分析中各通道间相关性的影响，以确保统计解释的稳健性。

提出的方法

• 对三项ATLAS搜寻结果进行统计合并：(1) 𝐸miss𝑇 + 𝑍 → ℓℓ，(2) 𝐸miss𝑇 + 𝐻 → 𝑏𝑏̄，(3) 𝑊𝑊→𝑡𝑏+𝑗𝑗（含带电希格斯玻色子产生）。
• 使用ATLAS探测器在2015–2018年期间收集的139 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√𝑠 = 13 TeV）。
• 应用轮廓似然比检验统计量，对信号模型截面设定上限，并转化为对模型参数的约束。
• 对系统性不确定性进行完整处理，包括通道间的相关性，涵盖探测器效应、背景建模及喷流能量标度。
• 使用模拟事件样本对信号和背景过程进行建模，并在数据控制区域中进行验证。
• 在多个运动学区域实施多箱似然拟合，以最大化对2HDM+𝑎模型的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用LHC Run 2的完整139 fb⁻¹数据集，2HDM+𝑎模型参数的最严格约束是什么？
• RQ2 联合结果在𝑚𝑎−𝑚𝐴、𝑚𝐴−tan 𝛽和𝑚𝑎−tan 𝛽平面中，相较于单个搜寻结果的灵敏度提升程度如何？
• RQ3 混合角𝜃和暗物质候选者质量𝑚𝜒的变化对排除限的影响是什么？
• RQ4 在联合多种末态后，2HDM+𝑎模型在参数空间的哪些区域仍保持物理可行性？
• RQ5 系统性不确定性和其相关性如何影响联合分析中的最终排除限？

主要发现

• 联合分析对2HDM+𝑎模型设定了迄今为止最严格的约束，尤其在𝑚𝑎−𝑚𝐴和𝑚𝑎−tan 𝛽平面中表现突出。
• 排除限排除了大范围的参数空间，尤其在𝑚𝑎 < 200 GeV且𝑚𝐴 < 500 GeV区域，具体取决于tan 𝛽的取值。
• 在𝑚𝐴−tan 𝛽平面中，当𝑚𝐴 < 300 GeV时，tan 𝛽 > 10的参数区域被排除，且对更高𝑚𝐴值，灵敏度可延伸至tan 𝛽 ≈ 20。
• 相较于单个搜寻结果，该分析在部分区域的灵敏度提升达两倍，尤其在𝑚𝑎−𝑚𝜒平面中表现显著。
• 混合角𝜃的变化表明，约束在𝜃 ≈ 0.1–0.3区域最为敏感，与自然性预期一致。
• 引入带电希格斯玻色子搜寻通道显著增强了在高𝑚𝐴和高tan 𝛽区域的灵敏度，该区域其他末态探测能力较弱。