[论文解读] Search for dark matter particles in W$^+$W$^-$ events with transverse momentum imbalance in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2358 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 73被引用 2

一句话总结

本研究利用CMS探测器在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞数据（138 fb⁻¹）中，通过W⁺W⁻事例结合大缺失横向动量寻找暗物质。在简化暗希格斯模型中设定了改进的排除极限，探测了100–300 GeV范围内的暗物质相空间，并在暗希格斯玻色子质量为160–250 GeV时，显著提升了对质量为200 GeV的暗物质粒子的探测灵敏度。

ABSTRACT

A search for dark matter particles is performed using events with a pair of W bosons and large missing transverse momentum. Candidate events are selected by requiring one or two leptons ($\ell =$ electrons or muons). The analysis is based on proton-proton collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV by the CMS experiment at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. No significant excess over the expected standard model background is observed in the $\ell u$qq and 2$\ell$2$ u$ final states of the W$^+$W$^-$ boson pair. Limits are set on dark matter production in the context of a simplified dark Higgs model, with a dark Higgs boson mass above the W$^+$W$^-$ mass threshold. The dark matter phase space is probed in the mass range 100-300 GeV, extending the scope of previous searches. Current exclusion limits are improved in the range of dark Higgs masses from 160 to 250 GeV, for a dark matter mass of 200 GeV.

研究动机与目标

• 利用包含W⁺W⁻玻色子和大缺失横向动量末态的质子-质子碰撞数据，在√s = 13 TeV下寻找暗物质产生。
• 研究一种简化暗希格斯模型，其中暗希格斯玻色子(s)衰变为W⁺W⁻，并作为暗物质(χ)与标准模型之间相互作用的媒介。
• 在100–300 GeV质量范围内改进对暗物质产生的约束，特别是针对质量为200 GeV的暗物质粒子。
• 通过聚焦于暗希格斯玻色子的W⁺W⁻衰变道，将LHC搜索的探测范围扩展至先前结果之外。

提出的方法

• 选择包含一个或两个带电轻子（电子或μ子）、来自W玻色子衰变的两个喷注，以及大缺失横向动量的事例。
• 分析使用了CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹积分亮度的质子-质子碰撞数据。
• 为ℓνqq和2ℓ2ν末态定义信号区域，分别对应一个或两个W玻色子的轻子衰变。
• 利用数据驱动方法和蒙特卡罗模拟估算标准模型过程（如W⁺W⁻、顶夸克、Drell-Yan）的背景。
• 评估了喷注能量标度、轻子重建和缺失横向动量的系统性不确定性。
• 在简化暗希格斯模型框架下，使用轮廓似然比检验方法设定暗希格斯玻色子耦合和暗物质产生截面的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMS实验是否能排除或观测到在13 TeV质子-质子碰撞中，通过衰变为W⁺W⁻的暗希格斯玻色子产生的暗物质信号？
• RQ2 与以往LHC搜索相比，本研究在简化暗希格斯模型中对暗物质的排除限制有何改进？
• RQ3 当暗物质质量固定为200 GeV时，该搜索在100–300 GeV的暗希格斯玻色子质量范围内灵敏度如何变化？
• RQ4 引入W玻色子的轻子衰变和强子衰变模式在多大程度上增强了搜索的探测能力？
• RQ5 横向动量不平衡对约束暗希格斯模型参数空间有何影响？

主要发现

• 在ℓνqq和2ℓ2ν末态中均未观测到显著超出标准模型背景的信号。
• 针对暗希格斯玻色子质量高于W⁺W⁻阈值的情况，设定了简化暗希格斯模型的排除极限。
• 当暗物质粒子质量为200 GeV时，与以往搜索相比，160–250 GeV范围内的暗希格斯玻色子质量区间的当前排除极限得到改进。
• 本分析探测了100–300 GeV质量范围内的暗物质相空间，扩展了先前LHC搜索的探测范围。
• 在160–250 GeV的暗希格斯玻色子质量窗口内，灵敏度显著提升，尤其针对200 GeV的暗物质基准质量点。
• 研究结果发表于《高能物理杂志》（Journal of High Energy Physics），并可在HEPData数据记录中公开获取。