[논문 리뷰] Search for dark mesons decaying to top and bottom quarks in proton-proton collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend외 2965명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 ATLAS 검출기로 13 TeV에서의 140 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 강하게 결합된 SU(2) 어두운 풍미 대칭 모델에서 어둠의 메손을 직접 탐색하는 최초의 시도이다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.45일 경우 어둠의 편자 질량이 940 GeV 이하인 경우와 𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.25일 경우 740 GeV 이하인 경우가 배제된다.

ABSTRACT

A search for dark mesons originating from strongly-coupled, $SU(2)$ dark flavor symmetry conserving models and decaying gaugephobically to pure Standard Model final states containing top and bottom quarks is presented. The search targets fully hadronic final states and final states with exactly one electron or muon and multiple jets. The analyzed data sample corresponds to an integrated luminosity of 140 $fb^{-1}$ of proton$-$proton collisions collected at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. No significant excess over the Standard Model background expectation is observed and the results are used to set the first direct constraints on this type of model. The two-dimensional signal space of dark pion masses $m_{π_D}$ and dark rho-meson masses $m_{ρ_D}$ is scanned. For $m_{π_D}/m_{ρ_D}=0.45$, dark pions with masses $m_{π_D}<940$ GeV are excluded at the 95% CL, while for $m_{π_D}/m_{ρ_D}=0.25$ masses $m_{π_D}<740$ GeV are excluded.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 따르는 전자약 대칭군을 유지하고, 표준모형과 운동에너지 혼합을 통해 결합되는 강하게 결합된 SU(2) 어둠의 풍미 대칭 모델에서 어둠의 메손을 탐색하기 위해.
• 어둠의 메손이 풍미를 가진 쿼크로 붕괴되는 스틸스틸 어둠의 물질 모델의 현상학을 탐색하기 위해, 순수한 표준모형 최종 상태(토프 및 바텀 쿼크 포함)로 붕괴되는 경우를 대상으로 하기 위해.
• 어둠의 세크터가 QCD 유사이며, 벡터형 페르미온을 포함하는 모델에서 어둠의 편자 및 어둠의 루 메손 질량에 대한 직접 실험적 제약 조건을 설정하기 위해.
• 어둠의 메손의 토프 및 바텀 쿼크로의 붕괴에 대한 감도를 극대화하기 위해, 완전히 하드론적 및 한 렙톤 최종 상태를 모두 분석하기 위해.
• LHC 런 2의 데이터를 활용하여 이 클래스의 모델에 대한 최초의 직접 제약 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 고정된 어둠의 색수 𝑁𝐷 = 4를 가진 단순화된 모델을 사용하여, 질량 𝑚𝜋𝐷 및 𝑚𝜌𝐷를 가진 편자형 어둠의 편자 메손(𝜋𝐷)과 벡터형 어둠의 루 메손(𝜌𝐷)에 집중하였다.
• 신호 생성을 시뮬레이션하기 위해 MadGraph5_aMC@NLO를 사용하였으며, 표준모형 전자약 보손과 𝜌𝐷 간의 공진적 생성 및 운동에너지 혼합을 통한 생성, Drell–Yan 유사 과정을 고려했다.
• 두 가지 최종 상태를 분석하였는데, 완전히 하드론적(다수의 제트, 렙톤 없음) 및 한 렙톤(한 개의 전자 또는 뮤온, 다수의 제트)으로, 𝜋𝐷 → 𝑡𝑏̄ 붕괴를 타겟으로 하였다.
• 신호 감도를 향상시키기 위해 다변량 분석 기법을 적용하였으며, 토프 쿼크 식별을 위한 운동학적 재구성 및 제트 서브구조 태깅을 포함하였다.
• 실험적 및 모델링 효과에 기인한 체계적 불확실성을 평가하기 위해 데이터 기반 방법과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 배경 추정을 수행하였다.
• 신호 횡단단면적에 대한 상한을 설정하고, (𝑚𝜋𝐷, 𝑚𝜌𝐷) 평면에서 배제 한계를 유도하기 위해 프로파일-우도비 테스트를 사용하여 두 채널의 결과를 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강하게 결합된 SU(2) 어둠의 풍미 대칭 모델에서, 어둠의 편자가 토프 및 바텀 쿼크로 붕괴하는 경우, 어둠의 편자 질량에 대한 직접 실험적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 이 모델에서 어둠의 메손의 생성 및 붕괴 메커니즘이 질량 비율 𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 13 TeV에서 ATLAS 검출기가 어둠의 메손의 토프-바텀 최종 상태에서 발생하는 완전히 하드론적 및 한 렙톤 최종 상태에 대해 어떤 감도를 보이는가?
• RQ4 ATLAS 실험은 토프 및 바텀 쿼크로 붕괴하는 어둠의 메손에 대해 (𝑚𝜋𝐷, 𝑚𝜌𝐷) 매개변수 공간의 어떤 영역을 배제할 수 있는가?
• RQ5 이 결과는 이전의 탐색 결과와 비교하여 어떻게 다른가, 특히 스틸스틸 어둠의 물질 모델의 맥락에서.

주요 결과

• 완전히 하드론적 최종 상태 또는 한 렙톤 최종 상태 어느 쪽에서도 표준모형 배경을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 질량 비율 𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.45일 경우, 95% 신뢰수준에서 어둠의 편자 질량이 940 GeV 이하인 경우가 배제된다.
• 𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.25일 경우, 95% 신뢰수준에서 어둠의 편자 질량이 740 GeV 이하인 경우가 배제된다.
• 이 제약 조건은 토프 및 바텀 쿼크로의 풍미를 가진 붕괴를 하는 이 특정 클래스의 SU(2) 어둠의 풍미 대칭 모델에 대한 최초의 직접 제약 조건이다.
• 두 최종 상태 모두에서 결과가 강인하며, 데이터 기반 방법과 철저한 시뮬레이션 검증을 통해 체계적 불확실성이 잘 통제되어 있다.
• 이 분석은 ATLAS 검출기가 고질량 영역에서 토프-바텀 최종 상태로 하드론적으로 붕괴하는 무거운 레지온에 대해 감도를 보임을 보여주었다.