[论文解读] Search for resonant production of strongly coupled dark matter in proton-proton collisions at 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本论文首次利用 √s = 13 TeV 下的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据，对强耦合隐藏扇区产生的暗物质进行了对撞机搜索。研究提出了一种新型信号，即通过 Z′ 瑞利共振态衰变为暗强子而产生的‘半可见’喷注，采用提升决策树（BDT）技术增强对这类喷注与标准模型喷注的区分能力，最终在 95% 置信水平下，对广泛参数范围内的模型，将 Z′ 媒介子质量的排除极限提高至 5.1 TeV。

ABSTRACT

The first collider search for dark matter arising from a strongly coupled hidden sector is presented, using a data sample corresponding to $138\, ext{fb}^{-1}$, collected with the CMS detector at the CERN LHC, at a center-of-mass energy of $13\, ext{TeV}$. The hidden sector is hypothesized to couple to the standard model (SM) via a heavy leptophobic $ ext{Z}^{\prime}$ mediator, which would be produced as a resonance in proton-proton collisions. The mediator decay results in two "semivisible" jets, containing both visible matter and invisible dark matter. The final state therefore includes moderate missing energy aligned with one of the jets, a signature ignored by most dark matter searches. The observed dijet transverse mass spectra are smoothly falling, as expected from the SM; no structure compatible with the signal is observed. Assuming the $ ext{Z}^{\prime}$ and SM Z bosons have the same couplings to the SM quarks, an inclusive search, relevant to any model that exhibits this kinematic behavior, excludes mediator masses of 1.5--$4.0\, ext{TeV}$ at 95% confidence level, depending on the other signal model parameters. To enhance the sensitivity of the search for this particular class of hidden sector models, a boosted decision tree (BDT) is trained using jet substructure variables to distinguish between semivisible jets and SM jets from background processes. When the BDT is employed to identify each jet in the dijet system as semivisible, the mediator mass exclusion increases to $5.1\, ext{TeV}$, for wider ranges of the other signal model parameters.

研究动机与目标

• 探索一类新型暗扇区模型，其具有强耦合的隐藏扇区，通过非电子偶发 Z′ 媒介子产生半可见喷注。
• 填补现有对撞机搜索中的空白，即排除那些具有与喷注对齐的中等缺失横向动量的事件。
• 开发并应用一种基于喷注子结构变量的提升决策树（BDT）技术，以识别半可见喷注并提高灵敏度。
• 首次为质子-质子对撞中强耦合暗物质的共振产生设定直接排除极限。
• 通过覆盖具有中等不可见分支比（rinv ≈ 0.5）的参数空间，补充现有搜索，这些区域此前未被探索。

提出的方法

• 利用 CMS 探测器在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 提出双管齐下的搜索策略：一种对任意具有与缺失横向动量对齐喷注的模型均敏感的包容性搜索，以及一种利用基于喷注子结构变量训练的 BDT 的专门搜索。
• BDT 通过质量、N-子喷注不透明度和轨迹多重性等特征，训练以区分含有可见与不可见粒子的半可见喷注与标准模型 QCD 喷注。
• 信号模型假设 Z′ 玻色子通过夸克-反夸克湮灭产生，衰变为暗夸克，后者强子化为稳定（暗物质）和不稳定（可见）的暗强子。
• 分析考虑了以 QCD 多喷注事件（含测量误差的喷注）为主导的背景，以及含中微子的 W/Z + 喷注事件。
• 在 95% 置信水平下，使用轮廓似然比检验设定排除极限，信号模型参数包括 Z′ 耦合强度和暗强子分支比（rinv）。

实验结果

研究问题

• RQ1 对撞机搜索能否通过共振 Z′ 产生和半可见喷注信号探测来自强耦合隐藏扇区的暗物质？
• RQ2 提升决策树（BDT）在利用喷注子结构变量区分半可见喷注与标准模型 QCD 喷注方面效果如何？
• RQ3 在具有中等不可见分支比（rinv ≈ 0.5）的模型中，Z′ 媒介子质量的排除极限是多少？这类参数区域此前未被现有搜索覆盖。
• RQ4 与标准二喷注共振搜索相比，引入喷注子结构信息能在多大程度上提升灵敏度？
• RQ5 本研究首次在多大范围内覆盖并排除了强耦合隐藏扇区模型？

主要发现

• 在二喷注横向质量谱中未观测到显著的共振结构，与仅含背景的预期一致。
• 对于 SM 夸克的通用耦合强度为 0.25 的情况，包容性搜索在 95% 置信水平下，根据模型参数不同，将 Z′ 媒介子质量的排除范围从 1.5 至 4.0 TeV。
• 当使用 BDT 识别半可见喷注时，灵敏度得到提升，将排除极限扩展至更广范围的信号模型参数，最高达 5.1 TeV。
• 基于 BDT 的分析通过有效利用质量、N-子喷注不透明度和轨迹多重性等子结构特征，显著提升了对半可见喷注与 QCD 背景喷注的分离能力。
• 本研究首次为 LHC 中质子-质子对撞下通过 Z′ 媒介子产生强耦合暗物质的共振过程设定了直接排除极限。
• 本研究覆盖了此前未被探索的参数空间区域，即具有中等不可见分支比（rinv ≈ 0.5）的区域，而现有搜索对此类区域不敏感。