[논문 리뷰] Search for Soft Unclustered Energy Patterns in Proton-Proton Collisions at 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2399명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2016–2018년 동안 CMS에서 확보한 138 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 소프트 비군집 에너지 패턴(SUEPs)에 대한 최초의 전용 탐색을 제시한다. 연구는 강하게 결합된 어둠의 섹터가 등방성으로 낮은 운동량을 가진 입자 군집을 생성하는 히든 밸리 모델을 대상으로 하며, QCD 배경을 억제하기 위해 트랙 다수성과 구형도를 사용하고, 스칼라 매개입자가 SUEPs로 붕괴하는 경우의 생성 단면적에 대한 상한을 설정한다.

ABSTRACT

The first search for soft unclustered energy patterns (SUEPs) is performed using an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected in 2016-2018 by the CMS detector at the LHC. Such SUEPs are predicted by Hidden Valley models with a new, confining force with a large 't Hooft coupling. In events with boosted topologies, selected by high-threshold hadronic triggers, the multiplicity and sphericity of clustered tracks are used to reject the background from standard model quantum chromodynamics. With no observed excess of events over the standard model expectation, limits are set on the cross section for production via gluon fusion of a scalar mediator with SUEP-like decays.

연구 동기 및 목표

• 강하게 결합된 어둠의 섹터를 가진 히든 밸리 모델이 예측하는 새로운 초표준모형(BSM) 서명인 소프트 비군집 에너지 패턴(SUEPs)을 탐색하기 위해.
• SUEPs는 기존의 트리거를 피하고, 등방성 및 낮은 운동량 성질로 인해 피킹업과 구별하기 어려운 점을 해결하기 위해.
• 고임계수의 하드론 트리거를 사용하여 글루온 융합를 통한 스칼라 매개입자가 SUEPs로 붕괴하는 경우의 생산 단면적에 대해 모델 독립적인 상한을 설정하기 위해.
• 다중제트 QCD 샘플을 사용하여 분석 프레임워크를 검증하고, 트랙 다수성과 구형도를 통해 강력한 배경 억제를 확보하기 위해.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 확보한 138 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하였다.
• 높은 임계값을 가진 하드론 트리거를 적용하여 고트랙 다수성과 관련된 강력한 위상 구조를 선택함으로써 SUEP 유사 최종 상태에 대한 민감도를 향상시켰다.
• 표준모형 QCD 다중제트 배경을 억제하기 위한 핵심 분류 기준으로 트랙 다수성과 구형도를 활용하였다.
• PYTHIA 플러그인을 기반으로 한 시뮬레이션을 통해 신호 이벤트를 모델링하였으며, 이는 Refs. [8, 19]에 기반하여 스칼라 매개입자 S가 글루온 융합를 통해 생성되고 어둠의 쿼크-반쿼크 쌍으로 붕괴하는 것을 모델링한다.
• 어둠의 섹터를 't Hooft 결합 상수가 큰 준등방성 강하게 결합된 시스템으로 모델링하여, 경량 어둠의 메존(ϕ)의 등방성 쇼워를 유도하고, 이들이 어둠의 보스론(A′)으로 붕괴하는 것을 고려한다.
• A′의 즉각적인 붕괴를 가정하여 표준모형 입자(e⁺e⁻, μ⁺μ⁻, π⁺π⁻)로 붕괴하고, 붕괴 분율은 mA′에 따라 달라지며, 이동 거리가 1 mm 이하가 되도록 제약을 두어 이격된 피크 서명을 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 LHC 트리거 및 재구성 시스템을 사용하여 13 TeV에서의 프로톤-프로톤 충돌에서 고다수성, 등방성 분포를 가진 낮은 운동량 입자들로 구성된 SUEPs를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 트랙 다수성과 구형도는 강력한 위상에서 QCD 다중제트 배경과 SUEP 유사 신호를 얼마나 효과적으로 구별할 수 있는가?
• RQ3 강하게 결합된 어둠의 섹터를 가진 히든 밸리 모델에서 스칼라 매개입자가 SUEPs로 붕괴하는 경우의 생산 단면적에 대한 한계는 무엇인가?
• RQ4 어둠의 메존 질량(mϕ), 어둠의 온도(TD), 어둠의 보스론 질량(mA′)을 변화시킬 경우 SUEP 서명의 탐지 가능성과 운동량 구조는 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• SUEP 탐색 영역에서 표준모형 예측을 초월하는 유의미한 초과 이벤트는 관측되지 않았다.
• 스칼라 매개입자 S가 SUEPs로 붕괴하는 경우의 생산 단면적에 대해 95% 신뢰수준에서 상한이 설정되었으며, 모델 매개변수에 따라 0.1에서 10 fb의 범위를 가졌다.
• 트랙 다수성과 구형도를 사용하여 QCD 다중제트 배경을 효과적으로 억제하였으며, 이는 SUEP 위상에 따라 10%에서 50%의 신호 효율을 달성하였다.
• 이 상한은 mϕ ≈ 0.5–1.0 GeV, TD/mϕ ≤ 0.25, mA′ = 0.5–1.0 GeV인 모델에 가장 민감하며, 넓은 범위의 히든 밸리 매개변수 공간을 커버한다.
• 총 에너지 손실이 10–100 GeV이며, pT > 100 MeV인 10–100개의 트랙에 분포된 SUEP 서명에 대해 탐지 가능하다.
• 매개입자 질량 mS < 1.5 TeV이고 SUEP 붕괴 분율이 높은 영역에서는 결과가 배제하며, 특히 mA′ = 1.0 GeV이고 π⁺π⁻로 100% 붕괴하는 경우에 특히 민감하다.