[论文解读] 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, Erlend+2965 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞数据（140 fb⁻¹）中，首次直接搜索强耦合SU(2)暗味对称性模型中的暗介子。未观测到显著过量，因此在95%置信水平下，对𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.45的情况，排除了低于940 GeV的暗素拓质量；对𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.25的情况，排除了低于740 GeV的暗素拓质量。

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.

研究动机与目标

• 在强耦合SU(2)暗味对称性模型中搜索暗介子，该模型保持电弱群规范对称性，并通过动能混合与标准模型耦合。
• 研究暗介子通过无色耦合衰变为仅含顶夸克和底夸克的纯标准模型末态的隐匿暗物质模型的唯象学。
• 在暗区为类QCD且包含矢量型费米子的模型中，设定暗素拓和暗rho介子质量的直接实验限制。
• 分析完全强子末态和单轻子末态，以最大化对暗介子衰变为顶夸克和底夸克的探测灵敏度。
• 利用大型强子对撞机Run 2的数据，首次为该类模型提供直接实验约束。

提出的方法

• 采用固定暗色数𝑁𝐷 = 4的简化模型，聚焦于赝标量暗素拓（𝜋𝐷）和矢量暗rho介子（𝜌𝐷），其质量分别为𝑚𝜋𝐷和𝑚𝜌𝐷。
• 使用MadGraph5_aMC@NLO模拟信号产生过程，通过SM电弱玻色子与𝜌𝐷的共振产生及动能混合，以及Drell–Yan型过程。
• 分析两种末态：完全强子末态（多个喷注，无轻子）和单轻子末态（一个电子或μ子，多个喷注），以针对𝜋𝐷 → 𝑡𝑏̄的衰变。
• 应用多变量分析技术以提高信号灵敏度，包括顶夸克识别的运动学重建和喷注子结构标签技术。
• 采用数据驱动方法和蒙特卡罗模拟进行背景估计，并对实验和建模效应的系统不确定性进行评估。
• 通过轮廓似然比检验，将两个通道的结果联合起来，设定信号截面的上限，并在(𝑚𝜋𝐷, 𝑚𝜌𝐷)平面上推导出排除限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强耦合SU(2)暗味对称性模型中，对衰变为顶夸克和底夸克的无色耦合暗素拓质量，其直接实验约束为何？
• RQ2 在该模型中，暗介子的产生和衰变机制如何依赖于质量比𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷？
• RQ3 ATLAS探测器在13 TeV下对来自暗介子衰变的完全强子末态和单轻子末态的探测灵敏度如何？
• RQ4 ATLAS实验能否排除暗介子衰变为顶夸克和底夸克的(𝑚𝜋𝐷, 𝑚𝜌𝐷)参数空间区域？
• RQ5 与以往搜索相比，本研究结果在隐匿暗物质模型背景下有何异同？

主要发现

• 在完全强子末态和单轻子末态中均未观测到超过标准模型背景的显著过量。
• 对于质量比𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.45，95%置信水平下排除了低于940 GeV的暗素拓质量。
• 对于𝑚𝜋𝐷/𝑚𝜌𝐷 = 0.25，95%置信水平下排除了低于740 GeV的暗素拓质量。
• 这些排除限是首次针对此类特定SU(2)暗味对称性模型中无色耦合衰变为顶夸克和底夸克的直接约束。
• 结果在两种末态中均表现稳健，系统不确定性通过数据驱动方法和详细模拟验证得到良好控制。
• 该分析展示了ATLAS探测器在高能标下对顶-底末态中重粒子强子衰变共振态的探测灵敏度。