[论文解读] Search for Resonant Production of Dark Quarks in the Dijet Final State with the ATLAS Detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2989 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV质子-质子碰撞中收集的139 fb⁻¹数据，搜索通过Z′玻色子产生共振的暗夸克。通过选择高多重性大径迹角宽度喷注并扫描二喷注不变质量谱，未观测到显著过量，因此在一系列Z′质量及暗夸克场景下，对Z′ → q̄d产生截面乘以分支比设定了95%置信水平上限。

ABSTRACT

This paper presents a search for a new $Z^\prime$ resonance decaying into a pair of dark quarks which hadronise into dark hadrons before promptly decaying back as Standard Model particles. This analysis is based on proton-proton collision data recorded at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. After selecting events containing large-radius jets with high track multiplicity, the invariant mass distribution of the two highest-transverse-momentum jets is scanned to look for an excess above a data-driven estimate of the Standard Model multijet background. No significant excess of events is observed and the results are thus used to set 95 % confidence-level upper limits on the production cross-section times branching ratio of the $Z^\prime$ to dark quarks as a function of the $Z^\prime$ mass for various dark-quark scenarios.

研究动机与目标

• 搜索一种新的Z′共振态，其衰变为一对暗夸克，后者强子化为暗强子并迅速衰变为标准模型粒子。
• 与半可见及喷出喷注搜索相比，探测参数空间的互补区域，重点关注具有增强轨迹多重性的完全可见二喷注信号。
• 对各种暗夸克场景，设定Z′产生截面乘以分支比的模型无关上限。
• 验证高轨迹多重性大径迹角宽度喷注选择在识别暗 sector 模型潜在信号方面的灵敏度。

提出的方法

• 本分析使用ATLAS探测器在2015至2018年间收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，能量为√s = 13 TeV。
• 事件根据两个高横向动量大径迹角宽度喷注（R = 1.0）且具有高带电粒子轨迹多重性进行预选，该特征表明可能来自暗强子衰变。
• 在二个最高𝑝T喷注的不变质量分布中扫描共振增强信号，背景为多喷注QCD过程。
• 采用数据驱动方法，利用轨迹多重性分布中的边带区域估算主要的QCD多喷注背景。
• 基于喷注质量和轨迹多重性定义信号区域，以增强对暗夸克喷注的灵敏度。
• 使用CLs方法，在95%置信水平下设定Z′ → q̄d截面乘以分支比的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 衰变为暗夸克的共振Z′玻色子是否会在二喷注不变质量谱中产生可探测的过量？
• RQ2 在无缺失横向动量的情况下，高多重性大径迹角宽度喷注能否作为暗夸克喷注的信号？
• RQ3 在不同Z′质量和暗 sector 模型下，Z′产生截面乘以分支比的约束条件是什么？
• RQ4 本搜索如何与现有通过半可见或喷出喷注探测暗物质的搜索形成互补？

主要发现

• 在估计的标准模型多喷注背景之上，二喷注不变质量分布中未观测到显著过量。
• 对各种暗夸克场景，根据Z′质量设定了Z′ → q̄d产生截面乘以分支比的95%置信水平上限。
• 在Z′质量介于1.2至3.0 TeV之间时，限制最为严格，截面上限范围约为0.1至1.0 fb，具体取决于模型。
• 本分析展示了高轨迹多重性大径迹角宽度喷注对暗 sector 共振态（其衰变为SM粒子）的灵敏度。
• 结果排除了Z′玻色子耦合至暗夸克的某些参数空间区域，尤其在暗 sector 中具有SU(3)对称性的模型中。
• 本研究为现有搜索提供了补充约束，特别是在暗强子迅速衰变且不产生缺失能量的场景中。