[论文解读] Search for Soft Unclustered Energy Patterns in Proton-Proton Collisions at 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2399 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次利用138 fb⁻¹的CMS数据，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中对软未簇射能量型态（SUEPs）进行了专门搜索。研究针对一种具有强耦合暗物质领域的隐谷模型，该模型产生各向同性的低动量粒子喷注，利用轨迹多重性和球形度抑制QCD背景，并对标量媒介子衰变为SUEPs的产生截面设定了上限。

ABSTRACT

The first search for soft unclustered energy patterns (SUEPs) is performed using an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected in 2016-2018 by the CMS detector at the LHC. Such SUEPs are predicted by Hidden Valley models with a new, confining force with a large 't Hooft coupling. In events with boosted topologies, selected by high-threshold hadronic triggers, the multiplicity and sphericity of clustered tracks are used to reject the background from standard model quantum chromodynamics. With no observed excess of events over the standard model expectation, limits are set on the cross section for production via gluon fusion of a scalar mediator with SUEP-like decays.

研究动机与目标

• 搜索一种新型的超出标准模型（BSM）信号——由强耦合暗物质领域的隐谷模型预测的软未簇射能量型态（SUEPs）。
• 解决检测SUEPs的挑战，因其逃逸常规触发系统，且由于其各向同性、低动量的特性，难以与堆叠效应区分。
• 利用高阈值强子触发，对通过胶子融合产生并衰变为SUEPs的标量媒介子的产生截面设定模型无关的上限。
• 利用多喷注QCD样本验证分析框架，并通过轨迹多重性和球形度假设确保对背景的有效抑制。

提出的方法

• 利用2016–2018年期间CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 应用高阈值强子触发，选择具有高轨迹多重性的增强型拓扑结构，以提高对SUEP样末态的灵敏度。
• 采用轨迹多重性和球形度假设作为关键区分变量，以抑制标准模型QCD多喷注背景。
• 使用基于参考文献[8, 19]的PYTHIA插件模拟信号事件，建模通过胶子融合产生的标量媒介子S，并衰变为暗夸克-反夸克对。
• 将暗物质领域建模为准共形、强耦合系统，具有较大的't Hooft耦合，导致轻量暗介子（ϕ）各向同性喷注，其衰变为暗光子（A′）。
• 假设A′立即衰变为标准模型粒子（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻），分支比取决于mA′，并施加衰变长度 < 1 mm的限制以避免位移顶点信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用现有的LHC触发和重建系统，在13 TeV质子-质子碰撞中探测到具有高多重性、各向同性分布的低动量粒子的SUEPs？
• RQ2 在增强型拓扑结构中，轨迹多重性和球形度假设在区分SUEP样信号与QCD多喷注背景方面有多高效？
• RQ3 在具有强耦合暗物质领域的隐谷模型中，对衰变为SUEPs的标量媒介子的产生截面的限制是什么？
• RQ4 改变暗介子质量（mϕ）、暗温度（TD）和暗光子质量（mA′）如何影响SUEP信号的可探测性与动量结构？

主要发现

• 在SUEP搜索区域未观测到显著超出标准模型预期的事件数。
• 在95%置信水平下设定了标量媒介子S衰变为SUEPs的产生截面上限，其值根据模型参数在0.1至10 fb之间变化。
• 通过轨迹多重性和球形度假设有效抑制了QCD多喷注背景，信号效率根据SUEP拓扑结构在10%至50%之间变化。
• 限制对mϕ ≈ 0.5–1.0 GeV、TD/mϕ ≤ 0.25且mA′ = 0.5–1.0 GeV的模型最为敏感，覆盖了广泛的隐谷参数空间。
• 该搜索对总能量沉积为10–100 GeV、分布在10–100条pT > 100 MeV轨迹中的SUEP信号具有敏感性。
• 结果排除了媒介子质量mS < 1.5 TeV且SUEP衰变分支比较大的参数区域，尤其在mA′ = 1.0 GeV且π⁺π⁻分支比为100%时排除效果显著。