Search for pair production of additional neutral scalars within the Inert Doublet Model in a final state with two electrons or two muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV and 13.6 TeV

ملخص تقني: البحث عن إنتاج الزوج من السكالات المحايدة الإضافية ضمن نموذج المزدوج الخامل (Inert Doublet Model)

المشكلة والدوافع
يفشل النموذج القياسي (SM) لفيزياء الجسيمات في تفسير المادة المظلمة (DM)، على الرغم من الملاحظات الكونية التي تشير إلى وفرتها. يُعد نموذج المزدوج الخامل (IDM) امتداداً مدفوعاً بالنماذج للنموذج القياسي، حيث يقدم مزدوج هيجز ثانياً محمياً بواسطة تناظر $Z_2$ غير مكسور. يمنع هذا التناظر السكالات الجديدة من الاقتران مباشرة بالفرميونات ويضمن استقرار أخف سكال جديد، $H$، مما يجعله مرشحاً صالحاً للمادة المظلمة من نوع الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP). يتنبأ نموذج IDM بأربعة سكالات إضافية: اثنان محايدان ($H$ و $A$) واثنان مشحونان ($H^\pm$). وبينما استكشفت الدراسات الظواهرية حساسية IDM في مصادمات المستقبل، لم يتم إجراء أي بحث تجريبي مخصص لسكالات IDM باستخدام بيانات المصادمات قبل هذا العمل. كانت التحليلات الحالية غالباً غير حساسة لأجزاء كبيرة من فضاء المعلمات الخاص بـ IDM بسبب العتبات العالية لزخم الحركة العرضي المفقود ($p_T^{miss}$) أو القيود الضعيفة عند إعادة التفسير.

المنهجية
يقدم هذا البحث بحثاً عن الإنتاج الزوجي لسكالات IDM في تصادمات بروتون-بروتون عند طاقات مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13$ تيرالكترون فولت و 13.6 تيرالكترون فولت، المسجلة بواسطة كاشف CMS. يستخدم التحليل لومينوسية متكاملة قدرها 138 فمتو بار$^{-1}$ (الركضة 2، 2016–2018) و 35 فمتو بار$^{-1}$ (الركضة 3، 2022).

• طوبولوجيا الإشارة: يستهدف قناة البحث الأساسية عملية $pp \to AH$ حيث يتحلل السكال الأثقل $A$ إلى $ZH$، بينما تهرب جسيمات $H$ المستقرة من الكشف. تتكون الحالة النهائية من زوج بالضبط من الليبتونات ذات الشحنة المتضادة والمتماثلة في النوع (OCSF) (إلكترونات أو ميونات) الناتجة عن تحلل بوزون $Z$، مصحوبة بزخم حركة عرضي مفقود كبير ($p_T^{miss}$) من جسيمات $H$ الاثنين، مع حد أدنى من النشاط الهادروني. يركز التحليل على نطاق كتلة الليبتونات الثنائية $12 < m_{\ell\ell} < 80$ جيجا إلكترون فولت لتجنب الرنينات منخفضة الكتلة وذروة بوزون $Z$ المهيمنة.
• اختيار الأحداث: تخضع الأحداث لعملية اختيار مسبق تتطلب ليبتونين محكمين، و $p_T^{miss}$، وقيود كينماتيكية على نظام الليبتون الثنائي (على سبيل المثال، $p_T^{\ell\ell} > 15$ GeV، و $\Delta\phi(\vec{p}_T^{\ell\ell}, \vec{p}_T^{miss}) > 1$ راديان). يتم تطبيق "فيتو" (استبعاد) على الأحداث التي تحتوي على ليبتونات إضافية رخوة أو نفاثات موسومة بـ $b$ لقمع خلفيات $t\bar{t}$ و $W$+jets.
• التحليل متعدد المتغيرات: لفصل الإشارة عن خلفيات النموذج القياسي المتبقية (التي يهيمن عليها $WW$، $t\bar{t}$، $ZZ$، و $WZ$)، يتم استخدام شبكة عصبية معلمية (pNN). تأخذ الشبكة pNN معلمات كتلة الإشارة ($m_H, m_A$) كمدخلات إلى جانب 26 ميزة كينماتيكية (بما في ذلك الكتل المستعرضة، والكتل المستعرضة المزدوجة $m_{T2}$، وتوازن النفاثة-Z). يسمح هذا النهج لشبكة واحدة بتحسين التمييز عبر كامل فضاء المعلمات ($m_H \in [60, 180]$ GeV، $m_A - m_H \in [20, 100]$ GeV) ويسهل الاستكمال (interpolation) بين نقاط الكتلة المحاكات.
• تقدير الخلفية: يتم تقييد تطبيع الخلفيات باستخدام مناطق تحكم (CRs) مستمدة من البيانات ومثرية بعمليات محددة:
  • منطقة تحكم ZZ: أحداث رباعية الليبتونات حيث يعمل زوج من الليبتونات كبديل للنيوترينو.
  • منطقة تحكم WW/$t\bar{t}$: أحداث ذات ليبتونات متضادة الشحنة ومختلفة النوع، مقسمة حسب تعدد نفاثات $b$.
  • منطقة تحكم WZ: أحداث ثلاثية الليتونات.
  • مناطق تحكم MisID: أحداث الليبتونات الثنائية ذات الشحنة المتماثلة لتقدير الخلفيات الناتجة عن النفاثات التي يتم تحديدها خطأً كليبتونات.
    يتم إجراء ملاءمة (fit) قصوى بنظام الـ binning متزامنة عبر منطقة الإشارة (SR) وجميع مناطق التحكم (CRs).

المساهمات الرئيسية

• أول بحث مخصص: يعد هذا العمل أول بحث مخصص لإنتاج زوج من سكالات IDM باستخدام بيانات تصادمات LHC.
• الشبكة العصبية المعلمية: يسمح تطبيق pNN بإجراء مسح مستمر لفضاء معلمات IDM دون الحاجة إلى شبكات منفصلة لكل فرضية كتلة، مما يعالج بفعالية استكمال أشكال الإشارة.
• التحكم الشامل في الخلفية: يستخدم التحليل مجموعة قوية من مناطق التحكم لتقييد الخلفيات المهيمنة مباشرة من البيانات، مما يقلل الاعتماد على تنبؤات المحاكاة فقط لعمليات التطبيع.

النتائج
لم يتم ملاحظة أي فائض معتبر في الأحداث فوق توقع خلفية النموذج القياسي. أكبر فائض محلي يتوافق مع قيمة $p$ تبلغ حوالي 1.5 انحراف معياري عند $m_H = 110$ GeV و $m_A = 145$ GeV.

تم وضع حدود استبعاد عند مستوى ثقة 95% CL على مقطع عرض الإنتاج لزوج $AH$ كدالة لـ $m_H$ و $m_A - m_H$:

• بالنسبة لانقسام الكتلة $m_A - m_H = 78$ GeV، يصل الاستبعاد الملحوظ (المتوقع) إلى $m_H = 108$ (106) GeV.
• عند $m_H = 70$ GeV، يغطي الاستبعاد الملحوظ النطاق $m_A - m_H = 40\text{--}90$ (35–90) GeV.
• تُحسب الحدود بافتراض معلمات محددة لـ IDM ($\lambda_2 = 1$، $\lambda_{345} = 10^{-6}$، $m_{H^\pm} = m_A + 50$ GeV)، رغم أن النتائج لوحظ أنها غير حساسة للتغيرات في هذه المعلمات ضمن نطاقاتها المسموح بها.

الأهمية
يزعم البحث أن هذه النتائج تمثل أول حدود لكتل السكالات المحايدة في نموذج المزدوج الخامل التي يتم الحصول عليها عبر بحث مخصص باستخدام بيانات التصادم. توسع كونتورات الاست exclusion المستمدة بشكل كبير القيود التي وضعتها سابقاً تجارب الكشف المباشر، وبحث المادة المظلمة غير المباشر، وإعادة تفسير بيانات LEP. من خلال تغطية مناطق من فضاء المعلمات لم تكن مستبعدة سابقاً، يوفر هذا التحليل مدخلات تجريبية حاسمة لصلاحية نموذج IDM كنموذج للمادة المظلمة.