Search for low-mass resonances decaying to $\tau\tau$ and measurement of the $\Upsilon$ $\to$ $\tau\tau$ decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

ملخص تقني: البحث عن الرنينات منخفضة الكتلة التي تضمحل إلى $\tau\tau$ وقياس $\Upsilon \to \tau\tau$ في تصادمات بروتون-بروتون عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13.6$ تيرالترون فولت

المشكلة والدوافع
بينما أكد اكتشاف بوزون هيغز اكتمال النموذج المعياري (SM)، لا تزال هناك ظواهر عديدة غير مفسرة، مما يدفع النظريات التي تتنبأ بوجود بوزونات إضافية عديمة الدوران (spin-zero) ($\phi$). قد تكون هذه الجسيمات أخف من هيغز وتمتلك اقترانات معززة مع فرميونات الجيل الثالث، وتحديداً لبتونات التاو. كانت عمليات البحث السابقة عن الجسيمات عديمة الدوران الشاملة التي تضمحل إلى $\tau\tau$ في مصادمات الهادرونات محدودة بالكتل غير المتغيرة (invariant masses) التي تزيد عن 60 جيجا إلكترون فولت. تحت هذا العتبة، يكون الزخم المستعرض ($p_T$) لبتونات التاو الناتجة منخفضاً، مما يؤدي إلى خلفيات كبيرة من أحداث تعدد الجتات (multijet) الناتجة عن الكروموديناميكا الكمية (QCD). تعاني طرق الحصول على البيانات التقليدية، التي تعتمد على عتبات $p_T$ عالية لإدارة معدلات البيانات، من كفاءة منخفضة جداً لأحداث $\tau\tau$ منخفضة الكتلة هذه. وبناءً على ذلك، ظل نطاق الكتلة بين 20 و60 جيجا إلكترون فولت غير مستكشف في سياق اضمحلالات التاو الهادرونية في مصادمات الهادرونات.

المنهجية
يستخدم هذا التحليل بيانات تصادم بروتون-بروتون تم جمعها بواسطة كاشف CMS عند طاقة مركز كتلة $\sqrt{s} = 13.6$ تيرالترون فولت خلال عامي 2022-2023، وهو ما يقابل لمعاناً متكاملاً قدره 61.9 فمتوبارن ($fb^{-1}$). تتكون الحالة النهائية من لبتون تاو واحد يضمحل إلى ميون ونيوترينوهات ($\tau_\mu$) والآخر يضمحل هادرونياً ($\tau_h$).

تشمل الابتكارات المنهجية الرئيسية ما يلي:

• استكشاف البيانات (Data Scouting): يستخدم التحليل تدفق بيانات استكشاف CMS، الذي يحتفظ فقط ببيانات الأحداث المعاد بناؤها بواسطة المحفز عالي المستوى (HLT). يقلل هذا من حجم الحدث، مما يسمح بمعدلات تحفيز أعلى بكثير (تصل إلى 25 كيلو هرتز) مقارنة بالتدفقات القياسية.
• خوارزمية إعادة البناء المبتكرة: تم تطوير خوارزمية "scouting HPS" (الهادرونات بالإضافة إلى الشرائط) جديدة لإعادة بناء مرشحات $\tau_h$ بزخم مستعرض مرئي ($p_T^{\text{vis}}$) منخفض يصل إلى 5 جيجا إلكترون فولت. وخلافاً لخوارزمية HPS القياسية، التي تقيد زاوية فتح مخروط التاو عند $\Delta R < 0.1$، تنفذ خوارزمية scouting HPS زاوية فتح قصوى ديناميكية (تصل إلى $\Delta R = 0.4$ عند 5 جيجا إلكترون فولت) لالتقاط الاضمحلالات ذات الزخم المنخفض.
• مميزات التعلم الآلي:
  • TAUNET: يُستخدم نموذج شبكة عصبية من نوع "deep sets" للتمييز بين اضمحلالات $\tau_h$ الحقيقية وخلفيات QCD بناءً على مكونات مرشح $\tau_h$ والجسيمات المحيطة به.
  • HLV$\mu$: يعمل مميز عزل الشبكة العصبية على تحديد مرشحات $\tau_\mu$ ذات النشاط المجاور المنخفض.
• استراتيجية التحفيز: يستخدم البحث عملية منطقية (OR) للمحفزات التي تستهدف النشاط الكهرومغناطيسي (ترسب ECAL $\ge$ 30 جيجا إلكترون فولت)، أو النشاط الهادروني (مجموع $p_T$ القياسي للجتات $>$ 360 جيجا إلكترون فولت)، أو ترسبات HCAL (حيث $p_T >$ 180 جيجا إلكترون فولت).
• مناطق التحليل: تم تحديد ثلاث مناطق اختيار متميزة:
  1. منطقة $\Upsilon$: لمراقبة اضمحلالات $\Upsilon(1S, 2S, 3S) \to \tau\tau$، والتي تتطلب $p_T^{\text{vis}}$ منخفضاً ($>5$ جيجا إلكترون فولت) ومعايير عزل محددة.
  2. منطقة $Z$: للتحقق من دقة إعادة بناء $p_T^{\text{vis}}$ العالي ($>20$ جيجا إلكترون فولت) باستخدام أحداث $Z \to \tau\tau$.
  3. منطقة بحث $\phi$: للبحث عن الرنينات في نطاق الكتلة 20-60 جيجا إلكترون فولت، مع تطبيق عزل أكثر صرامة وقيود حركية (kinematic cuts).

يتم نمذجة الخلفيات باستخدام عمليات النموذج المعياري (SM) المحاكات (بما في ذلك $Z/\gamma^*$, $W$, $t\bar{t}$, dibosons, QCD, وإنتاج $\Upsilon$) ويتم التحقق منها مقابل البيانات. يتم تقدير الخلفيات المستمرة في منطقة البحث باستخدام أشكال وظيفية محددة (متعددات حدود أسية أو وظائف UA2/ATLAS) التي يتم تحديدها بواسطة معيار معلومات آكايكي (AIC).

المساهمات والنتائج الرئيسية

1. رصد $\Upsilon \to \tau\tau$:
   نجح هذا التحليل في قياس عملية $\Upsilon(1S, 2S, 3S) \to \tau^+\tau^-$ في بيئة مصادم هادروني. ينتج عن عملية الملاءمة القصوى المشتركة (combined maximum-likelihood fit) عبر قنوات "prong-only" و "prong-plus-strips" دلالة إحصائية قدرها 5.8$\sigma$ فوق فرضية الخلفية فقط.

   • المقطع العرضي المقاس: $\sigma = 3.5 \pm 0.7 \text{ (stat)} \pm 0.7 \text{ (syst)}$ نانو بارن للمنطقة الفيدوسية (fiducial region) حيث $|y_{\text{vis}}| < 1.2$ و $p_T^{\text{vis}} > 15$ جيجا إلكترون فولت.
   • تثبت هذه النتيجة فعالية خوارزمية إعادة بناء $\tau_h$ الجديدة ذات الزخم المنخفض في تدفق بيانات عالي المعدل.

2. البحث عن الرنينات عديمة الدوران منخفضة الكتلة ($\phi$):
   أُجري بحث شامل عن بوزونات عديمة الدوران تضمحل إلى $\tau\tau$ في نطاق الكتلة من 20 إلى 60 جيğa إلكترون فولت.

   • الملاحظة: لم يتم رصد أي فائض معنوي فوق خلفية النموذج المعياري في توزيعات $m_{\text{vis}}(\mu, \tau_h)$.
   • الحدود: تم وضع حدود عليا عند مستوى ثقة 95% (CL) على حاصل ضرب المقطع العرضي للإنتاج وفرع الاضمحلال، $\sigma(pp \to \phi) \times \mathcal{B}(\phi \to \tau\tau)$. تتراوح هذه الحدود بين 40 و 400 بيكوبارن عبر نطاق الكتلة.
   • توسع هذه النتائج نطاق الكتلة الذي تم تحليله سابقاً بواسطة CMS و ATLAS (والذي بدأ عند 60 جيجا إلكترون فولت) نزولاً إلى 20 جيجا إلكترون فولت للإنتاج الشامل مع توقيع تاو هادروني.

الأهمية
تزعم الورقة أن هذه النتائج تشكل أول بحث شامل لرنين عديم الدوران يتم إنتاجه عبر اندماج الغلوون (gluon fusion) ويضمحل إلى $\tau\tau$ مع توقيع تاو هادروني في نطاق 20-60 جيجا إلكترون فولت في مصادم هادروني. إن قياس اضمحلال $\Upsilon \to \tau\tau$ بدلالة 5.8$\sigma$ يثبت أن تدفقات استكشاف البيانات عالية المعدل، مقترنة بخوارزميات إعادة بناء مبتكرة ذات زخم منخفض، يمكن أن تحقق حساسية غير مسبوقة للفيزياء الجديدة المتعلقة بليبتونات التاو في الأنظمة الحركية الصعبة التي كانت غير قابلة للوصول سابقاً بسبب قيود المحفز وإعادة البناء. كما أن غياب الإشارة في منطقة البحث يوفر قيوداً صارمة على نماذج الفيزياء ما وراء النموذج المعياري (BSM) التي تتنبأ ببوزونات عديمة الدوران خفيفة مع اقترانات معززة مع فيرميونات الجيل الثالث.