[论文解读] Search for Inelastic Dark Matter in Events with Two Displaced Muons and Missing Transverse Momentum in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2353 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本论文首次在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，利用CMS实验的138 fb⁻¹数据，对非弹性暗物质（IDM）进行了专门的对撞机搜索。研究聚焦于包含两个位移的、非共振的μ子和缺失横向动量的事件，采用专门的位移μ子重建算法，探测通过暗光子介导的产生与衰变的IDM模型；未观测到显著过量，从而为暗物质质量在3–80 GeV范围内的产生截面与衰变分支比乘积设定了新的上限。

ABSTRACT

A search for dark matter in events with a displaced muon pair and missing transverse momentum is presented. The analysis is performed using an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV produced by the LHC in 2016-2018. No significant excess over the predicted backgrounds is observed. Upper limits are set on the product of the inelastic dark matter production cross section $\sigma$(pp $ o$ A' $ o$$\chi_1$$\chi_2$) and the decay branching fraction $\mathcal{B}$($\chi_2$$ o$$\chi_1\mu^+\mu^-$), where A' is a dark photon and $\chi_1$ and $\chi_2$ are dark matter states with near mass degeneracy. This is the first dedicated collider search for inelastic dark matter.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中寻找非弹性暗物质（IDM），这是此前未被专门对撞机搜索覆盖的能区。
• 探测包含一个暗光子A′的IDM模型，该A′衰变为两个近乎简并的暗物质本底态χ₁和χ₂，其中χ₂随后衰变为χ₁和一对μ子。
• 通过聚焦于软的、位移的、非共振的双μ子末态，提升对低质量、长寿命暗物质的探测灵敏度，此类末态可规避标准的即时或共振态搜索。
• 通过要求位移μ子并应用隔离标准，减少背景污染，从而为压缩谱模型提供更清晰的信号选择。

提出的方法

• 采用专门的位移μ子重建算法，识别源自长寿命χ₂衰变的μ子，其衰变长度达到厘米量级。
• 应用事件选择标准，包括隔离要求和缺失横向动量（pTmiss），以抑制标准模型背景。
• 实施一种运动学重建技术，识别包含两个位移μ子和由初态辐射产生的反冲喷注的事件，以提高触发效率。
• 将信号建模为σ(pp → A′ → χ₁χ₂) × B(χ₂ → χ₁µ⁺µ⁻)，其中质量分裂∆ ≈ m₁的10%–40%，导致μ子能量较低且准直。
• 执行盲化分析以避免偏倚，信号区域定义为存在位移μ子对和高pTmiss的事件。
• 使用模拟的信号与背景样本确定信号接受度和背景估计值，并在控制区域中进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC中，能否通过位移双μ子信号探测到具有近简并暗物质本底态的非弹性暗物质模型？
• RQ2 CMS实验对暗物质质量在3–80 GeV之间、且通过位移μ子衰变产生的IDM的探测灵敏度如何？
• RQ3 位移μ子重建与隔离标准在抑制软的、非共振双μ子末态的标准模型背景方面效果如何？
• RQ4 在此末态下，IDM产生截面与衰变为µ⁺µ⁻末态的分支比乘积的限制是什么？
• RQ5 该搜索方法能否推广至其他压缩谱模型，例如共湮灭的超对称态？

主要发现

• 在信号区域未观测到显著超出标准模型背景的过量，观测到的与预期的背景产额在不确定度范围内一致。
• 为暗物质质量在3至80 GeV范围内的非弹性暗物质产生截面与分支比B(χ₂ → χ₁µ⁺µ⁻)的乘积设定了上限。
• 对于高度位移、低质量的信号假设，该分析实现了最低达10⁻⁴的信号选择效率，展现出对具有挑战性的末态的探测灵敏度。
• 该限制与现有固定靶实验和直接探测实验的约束具有可比性，尤其在3–80 GeV暗物质质量范围内。
• 本研究为针对非共振、位移末态的对撞机搜索设立了新基准，对具有丰富暗物质本底结构的模型未来搜索具有重要意义。
• 结果已公开发布于HEPData记录中，可供其他模型的重新解释和未来分析使用。