[论文解读] Measurement of dijet angular distributions and search for beyond the standard model physics in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS collaboration|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2026

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一句话总结

CMS 在 13 TeV 处测量归一化的 dijet 角分布，与带 EW 校正的 NNLO QCD 进行比较，并对夸克可组成性、额外维度、量子黑洞、暗物质介导剂、ALPs 和 SMEFT 算子等设定限制。

ABSTRACT

A measurement is presented of dijet angular distributions in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, using data collected with the CMS detector at the CERN LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. For the first time, the dijet angular distributions, corrected for detector effects, are compared with the predictions of perturbative quantum chromodynamics at next-to-next-to-leading order, including next-to-leading-order electroweak corrections. While data are generally found to be in agreement with predictions, a small difference in shape of the normalized distributions is seen for dijet masses ranging from 2.4 to 4.8 TeV and above 6 TeV. The distributions are used to search for proposed signatures of quark compositeness, extra spatial dimensions, quantum black holes, dark-matter mediators, axion-like particles, and anomalous gluon couplings. The most stringent limits to date are set for most of these scenarios. Quark contact interactions are excluded at 95% confidence level (CL) up to a scale of 17 (37) TeV for destructive (constructive) interference in a benchmark scenario, valid to next-to-leading order in quantum chromodynamics, and in which only left-handed quarks participate. The coupling of axion-like particles to the gluon, $c_{ ext{g}}/f_{ ext{a}}$, is constrained to be lower than 0.42 TeV$^{-1}$ at 95% CL. The anomalous triple-gluon coupling, $C_{ ext{G}}/Λ^2$, in a standard model effective field theory is constrained to be lower than 0.0076 TeV$^{-2}$ at 95% CL.

研究动机与目标

• 测试高 dijet 质量下的 dijet 角分布的扰动理论 QCD 预测，使用包括 NLO EW 校正的 NNLO 精度。
• 将探测器水平分布展开到粒子水平并与理论比较。
• 在多个 M_jj 区域内，通过归一化 χ_dijet 分布搜索超标准模型物理的信号。
• 对 BSM 场景如夸克接触相互作用、ADD/ED、QBHs、DM 介导剂、ALPs，以及 SMEFT 的胶子耦合进行约束。

提出的方法

• 在若干 M_jj 区间内，使用两条前导喷注（p_T 阈值为 500 和 200 GeV）测量探测器水平的 χ_dijet 分布。
• 通过来自探测器仿真的响应矩阵将分布展开到粒子水平，以便与 NNLO+EW 理论进行比较。
• 使用 μF=μR=M_jj 作为中心尺度，利用 fastNLO 中的 NNLOJET 计算 NNLO QCD 预测，并通过 6 种尺度变换和 100 个 NNPDF3.1 拷贝来评估尺度/PDF 不确定性。
• 对 QCD 预测应用 NLO 电弱校正，并加入相应 SM 校正的 LO BSM 预测以获得 QCD+BSM 的期望值。
• 通过将探测器水平数据与 QCD+BSM 预测进行比较，使用似然比和 CLs 方法来约束 BSM 模型。

Figure 1: Example diagrams of dijet production processes in QCD and BSM physics. Upper row: $t$ -channel quark-gluon scattering in QCD (left), quark-quark scattering via a BSM contact interaction (center left), quark pair production through an $s$ -channel BSM resonance (center right), and quark pai

实验结果

研究问题

• RQ1 测得的归一化 dijet 角分布在所探索的 M_jj 和 χ_dijet 区域内是否与 NNLO QCD 加 NLO EW 校正一致？
• RQ2 角分布是否能揭示诸如夸克可组成性、额外维度、QBHs、DM 介导剂、ALPs 或 SMEFT 算子等 BSM 物理的非共振或共振信号？
• RQ3 从 dijet 角分布中，对不同手性结构的 CI 标度 Λ 的 95% CL 限制，以及 SMEFT C_G/Λ^2 与 ADD/GRW/ HLZ 参数的约束是多少？

主要发现

• 归一化的 χ_dijet 分布总体上与 NNLO+EW 预测一致，在某些高-M_jj 区区域存在较小的形状差异。
• 对于若干 BSM 场景（包括 quark contact interactions 的 Λ±_LL、Λ±_RR、Λ±_VV、Λ±_AA，以及 Λ±(V-A) 情景）给出迄今为止最严格的限制。
• 耦合到胶子的 AXion-like particle 的耦合 c_g/f_a 在 95% CL 下被约束为小于 0.42 TeV^-1。
• 异常三重胶子耦合 C_G/Λ^2 在 95% CL 下被约束为小于 0.0076 TeV^-2。
• 具有 g_q 和 m_med 的 DM 介质场景被探测，灵敏度取决于 m_jj 与耦合。
• 在分析框架内对 SMEFT 的六阶维 Operator 影响三重胶子相互作用进行约束。

Figure 2: Normalized $\chi_{\text{dijet}}$ distributions for the $M_{\mathrm{jj}}$ bins up to 4.8 \TeV . The data distributions at the detector level (points) are compared to NNLO predictions, corrected for the detector response (black dotted lines). The vertical bars on the points represent statist