[论文解读] Search for new physics in dijet final states in ATLAS and CMS

M. Bauce|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用LHC运行2期（2015–2016年）期间ATLAS与CMS实验获得的13 TeV质子-质子碰撞数据，对二胶球末态中的新物理进行了全面搜索。通过分析二胶球不变质量谱和角相关性，实验设定了对新共振态的严格限制，排除了高达6.0 TeV的激发夸克和高达3.6–3.3 TeV的$W'$玻色子，且未观测到与标准模型的显著偏离。

ABSTRACT

Events containing a pair of high energy hadronic jet can provide clear signatures in the search for new physics at high energy hadron colliders. The ATLAS and CMS experiments collected the data from LHC collisions at $\sqrt{s}$= 13 TeV during 2015 and 2016, looking for evidence of new resonances or deviations from the Standard Model predictions. Althoug no hint of new physics was seen, strong limits have been set on the most interesting benchmark models, improving LHC Run1 reach.

研究动机与目标

• 利用13 TeV质子-质子碰撞数据，在LHC中搜索二胶球末态中的新物理。
• 通过二胶球共振态和角相关性信号，检验$W'$、$Z'$、激发夸克和量子黑洞等基准模型。
• 利用先进的背景建模和喷流亚结构技术，提升低质量和高质质量区域的灵敏度。
• 利用二胶球信号，对简化暗物质模型等新物理模型设定排除极限。
• 通过高能二胶球末态，探索LHC探测标准模型之外新共振态的探测能力。

提出的方法

• ATLAS与CMS利用$ p_T > 30 $ GeV且$|\eta| < 2.5$的高能二胶球事例，搜索二胶球不变质量谱$ m_{jj} $中的共振峰。
• CMS应用$ H_T > 900 $ GeV触发条件，并采用平滑解析拟合$ dN/dm_{jj} = p_1(1-z)^{p_2}z^{p_3}z^{p_4\ln z} $对QCD背景进行建模，其中$ z = m_{jj}/\sqrt{s} $。
• ATLAS采用滑动窗口拟合（SWiFt）技术，使用简化的解析函数，以稳定$ m_{jj} $谱中各区域的背景预测。
• 对于低质量共振态，CMS将高boost的二胶球重建为宽喷流，并应用亚结构算法（如软打孔）以识别共振衰变。
• ATLAS与CMS分析包含ISR喷流或光子的事例，以探测更低的$ m_{jj} $区域，其中喷流$ p_T > 440 $ GeV，光子$ p_T > 150 $ GeV。
• 通过数据驱动的背景估计和蒙特卡罗模拟，对通用信号和基准模型的产额截面设定限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\sqrt{s} = 13$ TeV的二胶球末态中，对$W'$、$Z'$、激发夸克和量子黑洞等新共振态的排除极限是多少？
• RQ2 二胶球角相关性和喷流亚结构技术如何提升在低质量和高质质量区域对新物理的探测灵敏度？
• RQ3 是否能够探测到$ m_{jj} $谱中的异常峰，其对新物理模型有何含义？
• RQ4 像SWiFt和解析拟合这样的先进背景建模技术如何增强共振态搜索的鲁棒性？
• RQ5 二胶球信号在多大程度上能约束简化暗物质模型？

主要发现

• 在50 GeV至8 TeV的全范围内，二胶球不变质量谱中未观测到与标准模型背景的显著偏离。
• ATLAS与CMS均将激发夸克的排除质量上限提升至6.0 TeV，相较于运行1期的限制有显著提升。
• ATLAS将$W'$玻色子的排除质量上限设为3.6 TeV，CMS为3.3 TeV，基于二胶球共振态搜索。
• CMS在二胶球末态中对$Z'$-类共振态的排除极限低至1.7 TeV，且通过宽喷流技术在100 GeV以下的低质量区域实现了灵敏度提升。
• CMS在宽喷流质量谱中于115 GeV处观测到局部2.9$\sigma$的超额，全局显著性为2.2$\sigma$，但不被视为新物理的证据。
• 对于ISR喷流和光子末态，通用高斯信号在$ m_{jj} $范围[303–1493] GeV内被排除，截面大于0.1–0.01 pb。