[论文解读] Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

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，搜索轻子+喷注末态中的量子黑洞（QBHs）。未观测到显著过量；在95%置信水平下，设定了QBH产生截面的上限，得出ADD模型中下限质量为9.2 TeV，RS1模型中为6.8 TeV。

ABSTRACT

A search for quantum black holes in electron+jet and muon+jet invariant mass spectra is performed with 140 fb$^{-1}$ of data collected by the ATLAS detector in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the Large Hadron Collider. The observed invariant mass spectrum of lepton+jet pairs is consistent with Standard Model expectations. Upper limits are set at 95% confidence level on the production cross-sections times branching fractions for quantum black holes decaying into a lepton and a quark in a search region with invariant mass above 2.0 TeV. The resulting quantum black hole lower mass threshold limit is 9.2 TeV in the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali model, and 6.8 TeV in the Randall-Sundrum model.

研究动机与目标

• 利用高能质子-质子碰撞测试低尺度量子引力模型，如Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali（ADD）和Randall-Sundrum（RS1）模型。
• 在包含一个带电轻子（电子或μ子）和一个喷注的末态中，搜索量子黑洞（QBH）的产生，此类末态对强子-轻子对称性破坏敏感。
• 在轻子+喷注通道中，设定QBH产生截面乘以分支比的模型无关上限。
• 通过分析高于2.0 TeV的高不变质量轻子+喷注系统，改进对基本量子引力尺度（MD）的约束。
• 为大型强子对撞机（LHC）中量子黑洞的更广泛搜索提供与其他末态（如二喷注、二轻子）互补的灵敏度。

提出的方法

• 分析ATLAS探测器收集的140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，能量为√s = 13 TeV。
• 利用高横动量电子和μ子及其关联喷注，重建轻子+喷注不变质量谱。
• 应用事件选择标准以隔离潜在的QBH信号，包括对轻子和喷注运动学、缺失横动量及探测器接受度的要求。
• 将部分子级2→2散射过程（如u u → d̄ ℓ⁺）作为模型中QBH产生的主要机制。
• 基于QBH模型/生成器的蒙特卡罗模拟，预测信号分布并与标准模型背景进行比较。
• 采用CLs方法进行统计评估，设定QBH产生截面乘以分支比在95%置信水平下的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻子+喷注不变质量谱在2.0 TeV以上是否显示出与量子黑洞产生一致的显著过量？
• RQ2 在95%置信水平下，量子黑洞衰变为轻子和夸克的产生截面的上限是多少？
• RQ3 在ADD和Randall-Sundrum模型中，量子引力尺度（MD）的下限结果如何？
• RQ4 轻子+喷注通道的结果与其他末态（如二喷注、二轻子）相比，灵敏度如何？
• RQ5 轻子+喷注通道在多大程度上能约束破坏强子-轻子全局对称性的模型？

主要发现

• 观测到的轻子+喷注不变质量谱与标准模型预期一致，背景之上未见显著过量。
• 在2.0 TeV以上的不变质量范围内，设定了QBH产生截面与分支比乘积的95%置信水平上限。
• 在Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali（ADD）模型中，量子黑洞的下限质量为9.2 TeV。
• 在Randall-Sundrum（RS1）模型中，量子黑洞的下限质量为6.8 TeV。
• 轻子+喷注通道的限制强于光子+喷注和二轻子通道，但灵敏度低于二喷注通道。
• 结果改进了对低尺度量子引力模型的约束，并为QBH产生提供了模型无关的限制。