[论文解读] Search for dimuon resonance in the 35 to 75 GeV mass range using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2026

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一句话总结

一个模型无关的低质量μ对子共振搜索（35–75 GeV），在 ATLAS 的 140 fb-1 13 TeV pp 数据中使用高斯过程回归建模背景；未观察到显著超出，给出对限定截面和 DM 介质/暗光子模型的 Limits。

ABSTRACT

A model-independent search for low-mass resonances decaying into pairs of oppositely charged muons is presented. The analysis uses proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$, recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018. The search targets hypothetical dimuon resonances in the invariant mass range from 35 GeV to 75 GeV. The modelling of this mass region is particularly challenging for conventional analytic background parameterisations. To address this, a Gaussian process regression technique is used to model the background. The dimuon mass spectrum is analysed for potential signals, and no statistically significant excess is observed. Upper limits at the 95% confidence level are set on the fiducial production cross-section of new resonances decaying promptly into muons, ranging from 20 fb to 110 fb, depending on the resonance mass. These results are further interpreted in the context of dark-photon and dark-matter-mediator models, leading to new constraints on their parameter spaces.

研究动机与目标

• 推动并搜索低质量 μ对子共振，作为超标准模型下暗物质相互作用的潜在指示。
• 在基准暗光子和暗介质情景中提供模型无关框架以解释结果。
• 开发并应用一种新颖的背景建模方法，利用高斯过程回归提取潜在信号。
• 量化对潜在共振在 35–75 GeV 范围内的接受度、效率和质量建模。

提出的方法

• 使用 ATLAS 在 13 TeV 下的 140 fb-1 pp 碰撞数据（2015–2018），采用未降采样的μ子触发。
• 用高斯过程回归建模背景，在信号+背景的同时拟合中使用 RBF 核。
• 将信号参数化为 Breit–Wigner 与双面 Crystal Ball 函数卷积，并在 35 至 75 GeV 的质量范围内扫描。
• 定义 fiducial 区域并计算接受度乘以效率以及探测器效率，以将观测产额与横截面联系起来。
• 在似然框架内将系统atic 不确定性作为 nuisance 参数，并进行分箱的剖面似然拟合。
• 将结果以 Z′ 和动量混合的暗光子（Z_D）基准模型来解释，并在可用时将 LO 信号样本校正到 NNLO。

((a))

实验结果

研究问题

• RQ1 35–75 GeV 区间的 μ对子不变量质量谱中是否存在统计学显著的局部超出？
• RQ2 在 35–75 GeV 范围内，新共振衰变为μ的 fiducial 产率乘以分支比的上限可以达到多少？
• RQ3 结果如何约束指定质量范围内的基准暗介质（Z′）和暗光子（Z_D）模型的参数空间？
• RQ4 使用高斯过程回归对潜在形状系统偏差背景建模的鲁棒性如何？

主要发现

• 在 35–75 GeV 质量范围内未观察到统计学显著的超出。
• 在 fiducial 横截面乘以分支比的 95% 置信水平上限，取决于共振质量，从 20 fb 到 110 fb 不等。
• 结果被用来约束暗光子和暗介质模型的参数空间。
• 在 35–75 GeV 区域的背景使用高斯过程回归建模，以处理非平凡的结构和触发相关特征。
• 信号建模将 Breit–Wigner 与双面 Crystal Ball 相结合，以捕捉探测器分辨率效应。

((b))