Search for dimuon resonance in the 35 to 75 GeV mass range using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

Utilizando 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV recolectados por el detector ATLAS, una búsqueda independiente del modelo de resonancias dimuónicas en el rango de masa de 35 a 75 GeV empleó la regresión de procesos gaussianos para el modelado del fondo, no encontró un exceso significativo y estableció nuevas restricciones sobre modelos de fotones oscuros y mediadores de materia oscura.

Lo esencial

La visión general: La caza de fantasmas invisibles en un mar de ruido

Imagina que estás de pie en un estadio masivo y ruidoso durante una tormenta eléctrica. La multitud vitorea, la lluvia cae con fuerza y el viento aúlla. Este es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), una máquina gigante que hace chocar protones a casi la velocidad de la luz. Cada vez que dos protones colisionan, es como una pequeña explosión que envía miles de partículas volando en todas direcciones.

La mayor parte del tiempo, estas colisiones producen partículas familiares, como los muones (que son como electrones pesados). El patrón de estos muones familiares es predecible; es el "ruido de fondo" del estadio. Pero los físicos buscan algo raro: una nueva partícula pesada que se desintegra en dos muones. Si tal partícula existiera, aparecería como un pico repentino y agudo en los datos: un "fantasma" que aparece entre la multitud y que no pertenece allí.

Este documento es el informe del experimento ATLAS, uno de los detectores gigantes del LHC, que describe su búsqueda de estos "fantasmas" en un rango de masa específico (entre 35 y 75 GeV).

El desafío: El fondo "ruidoso"

El principal problema al que se enfrentaron los científicos fue que el "ruido de fondo" en este rango de masa específico es muy complicado. Normalmente, cuando buscas un pico en los datos, puedes dibujar una curva suave y simple (como un tobogán) para representar el fondo y ver si los puntos de datos saltan por encima de ella.

Sin embargo, en el rango de 35–75 GeV, el fondo no es un tobogán suave. Es más bien un camino de montaña sinuoso y accidentado con caídas y ascensos repentinos causados por la forma en que los detectores se activan (las "puertas de seguridad" que deciden qué colisiones se registran). Intentar ajustar una curva simple a este camino accidentado es como intentar dibujar una línea recta a través de una cordillera dentada; no funciona bien y podrías confundir un bulto en el camino con un tesoro oculto.

La solución: La "lámina de goma inteligente" (Regresión por Procesos Gaussianos)

Para resolver esto, el equipo de ATLAS utilizó una herramienta nueva y astuta llamada Regresión por Procesos Gaussianos (GPR).

Imagina que los datos de fondo son una pieza de goma.

• Método antiguo: Intentar forzar la goma a adoptar una forma rígida y prefabricada (como una parábola). Si la goma no encaja, se producen errores.
• Nuevo método (GPR): Imagina que la goma es inteligente. Sabe que debe ser suave, pero puede estirarse y doblarse para seguir la forma real de los datos perfectamente sin ser forzada a una forma rígida. Aprende los "bultos" y "caídas" del ruido de fondo directamente de los propios datos.

Esto permitió a los científicos modelar el fondo con una flexibilidad increíble, separando el "ruido" de cualquier posible "señal" mucho mejor que antes.

La búsqueda: Buscando el pico

El equipo analizó 140 "femtobarns inversos" de datos (una enorme cantidad de datos de colisiones registrados entre 2015 y 2018). Buscaron un "bulto" en el número de pares de muones en masas específicas.

• El resultado: No encontraron nuevas partículas.
• El momento del "casi": Hubo un pequeño destello en 57.5 GeV. Parecía que había 2.3 veces más eventos de los esperados (un efecto de "2.3 sigma"). En el mundo de la física de partículas, esto es como escuchar un ruido extraño en el estadio que podría ser un fantasma, pero que estadísticamente es probable que sea solo un vitoreo aleatorio de la multitud. No fue lo suficientemente fuerte como para declarar un descubrimiento.

El resultado: Estableciendo los "vallados"

Aunque no encontraron una nueva partícula, la búsqueda fue un éxito porque les indicó qué es lo que no existe.

Imagina que los científicos están intentando encontrar un tipo específico de pájaro en un bosque. No vieron el pájaro, pero mapearon todo el bosque y dijeron: "Si este pájaro existe, no puede estar escondido en estos árboles específicos, y no puede ser de este peso".

El documento establece límites superiores sobre la frecuencia con la que estas hipotéticas partículas podrían producirse.

• Descartaron ciertos tipos de "mediadores de materia oscura" (partículas que podrían conectar nuestro mundo con el universo invisible de la materia oscura).
• Descartaron ciertos tipos de "fotones oscuros" (una partícula hipotética que podría actuar como un puente entre la luz normal y la materia oscura).

Por qué esto es importante

Este documento es significativo por dos razones principales:

1. Nuevo territorio: Es la primera vez que ATLAS busca estas partículas específicas en el rango de 35–75 GeV. Búsquedas previas de otros experimentos (como CMS y LHCb) cubrieron áreas diferentes, por lo que esto llena un vacío en el mapa.
2. Nueva herramienta: El uso de la "lámina de goma inteligente" (GPR) es una innovación importante. Demostró que las técnicas de aprendizaje automático pueden manejar datos de fondo complejos y desordenados mejor que las fórmulas matemáticas tradicionales, haciendo que las búsquedas futuras sean más sensibles.

En resumen:
El equipo de ATLAS utilizó un conjunto de datos masivo y una nueva y flexible herramienta matemática para escanear un rango específico de masas de partículas en busca de signos de nueva física. No encontraron los "fantasmas" que buscaban, pero mapearon la "casa encantada" tan minuciosamente que ahora pueden decir con alta confianza que, si estos fantasmas existen, son mucho más raros o más ligeros/pesados que los escenarios específicos que probaron. También demostraron que su nuevo método de la "lámina de goma inteligente" funciona perfectamente para futuras cacerías.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsqueda de Resonancias Dimuónicas en el Rango de Masa de 35 a 75 GeV

Problema y Motivación
Este artículo presenta una búsqueda independiente del modelo de nuevas resonancias de baja masa que decaen en pares de muones de carga opuesta ($\mu^+\mu^-$) utilizando datos de colisiones protón-protón a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV. El análisis se centra en un rango de masa invariante de 35 a 75 GeV, una región previamente inexplorada por el experimento ATLAS en búsquedas de resonancias. La motivación surge de la existencia potencial de física más allá del Modelo Estándar (BSM), particularmente en el contexto de las interacciones de la materia oscura (DM). Los marcos teóricos sugieren que la materia oscura podría interactuar con las partículas del Modelo Estándar a través de un sector oculto mediado por nuevos bosones vectoriales o axiales, tales como un bosón $Z'$ o un fotón oscuro cinéticamente mezclado ($Z_D$). Estos mediadores podrían producirse mediante el mecanismo Drell–Yan y decaer prontamente en pares de muones. Un desafío significativo en esta región de masa es el modelado preciso del fondo dominante del Modelo Estándar (Drell–Yan $Z/\gamma^* \to \mu\mu$), el cual exhibe estructuras no triviales, incluyendo efectos de umbral provenientes de los disparadores (triggers) de muones, lo que dificulta la aplicación de las parametrizaciones analíticas tradicionales.

Metodología
El análisis utiliza 140 fb$^{-1}$ de datos recolectados por el detector ATLAS entre 2015 y 2018. La selección de eventos requiere dos candidatos a muones que cumplan con los criterios de identificación media, aislamiento basado en flujo de partículas, y requisitos específicos de momento transversal ($p_T$) y pseudorapidez ($|\eta|$) para asegurar la eficiencia del disparador. La región de señal se define por una masa invariante dimuónica ($m_{\mu\mu}$) entre 30 y 80 GeV, estableciendo la ventana de búsqueda principal entre 35 y 75 GeV para evitar efectos de borde.

La innovación metodológica central es la aplicación de la Regresión de Procesos Gaussianos (GPR) para el modelado del fondo. A diferencia de análisis previos de ATLAS que dependían de funciones analíticas fijas (por ejemplo, leyes de potencia o exponenciales) para describir la forma del fondo, este estudio emplea GPR, una técnica de aprendizaje automático no paramétrica. La GPR asume que las correlaciones entre bins en el espectro de fondo siguen una distribución gaussiana multivariante, gobernada por un núcleo de Función de Base Radial (RBF). Este enfoque permite una descripción flexible y robusta del continuo Drell–Yan y de las estructuras inducidas por el disparador, que varían rápidamente, sin imponer una forma funcional rígida.

La extracción de la señal se realiza mediante un ajuste de verosimilitud de perfil binuado simultáneo. La función de verosimilitud incorpora el fondo predicho por la GPR, el modelo de señal (una distribución Breit–Wigner convolucionada con una función Crystal Ball de doble lado para tener en cuenta la resolución del detector) y las incertidumbres sistemáticas tratadas como parámetros de molestia (nuisance parameters). Los hiperparámetros del núcleo de la GPR (fuerza de correlación y escala de longitud) se ajustan utilizando muestras de Monte Carlo con suavizado de generador para minimizar el sesgo (señal espuria) y maximizar la sensibilidad. Las incertidumbres sistemáticas incluyen variaciones teóricas (escalas de QCD, PDFs), efectos experimentales (escala de momento y resolución de muones, eficiencias), y la incertidumbre asociada con el propio modelado del fondo.

Contribuciones Clave

1. Primera Búsqueda de ATLAS en el Rango 35–75 GeV: Este trabajo constituye la primera búsqueda de resonancias por parte de ATLAS en esta ventana de masa específica, extendiendo la sensibilidad del experimento hacia masas más bajas de las que eran accesibles previamente con disparadores estándar.
2. GPR para el Modelado del Fondo: El artículo introduce la GPR como una herramienta novedosa para el modelado de fondos en búsquedas de resonancias en el LHC. Demuestra que esta técnica puede manejar eficazmente formas de fondo complejas y no suaves donde las funciones analíticas tradicionales fallan, mejorando así la robustez de la búsqueda.
   la capacidad de la GPR para modelar la forma de la masa con precisión, permitiendo el uso de disparadores de muones estándar, no prescalados, y criterios de selección offline estándar.
3. Límites Independientes del Modelo: El análisis proporciona límites superiores independientes del modelo sobre la sección eficaz de producción multiplicada por la relación de ramificación ($\sigma_{\text{fid}} \times \mathcal{B}$) para nuevas resonancias.
4. Interpretación BSM: Los resultados se interpretan dentro de dos marcos teóricos específicos: un modelo simplificado de mediador de materia oscura (que presenta bosones $Z'$ con acoplamientos vectoriales o axiales) y un modelo de fotón oscuro (que presenta un $Z_D$ cinéticamente mezclado).

Resultados
El análisis no encontró ningún exceso estadísticamente significativo de eventos sobre el fondo esperado del Modelo Estándar. El mayor exceso local se observó en una masa de 57.5 GeV, con una significancia local de 2.3$\sigma$; sin embargo, la significancia global resultó ser insignificante.

Consecuentemente, se establecieron límites superiores al nivel de confianza (CL) del 95% para la sección eficaz de producción de resonancias de ancho estrecho que decaen en muones. Los límites observados oscilan aproximadamente entre 20 fb y 110 fb a través del rango de masa de 35 a 75 GeV.

• Interpretación $Z'$: Asumiendo un acoplamiento de 0.1 a quarks ($g_q = 0.1$), se derivaron límites superiores para el acoplamiento a leptones ($g_l$), que oscilan entre $4 \times 10^{-4}$ y $1.4 \times 10^{-3}$.
• Interpretación de Fotón Oscuro: Se establecieron límites superiores para el parámetro de mezcla cinética al cuadrado ($\epsilon^2$), que oscilan entre $1 \times 10^{-6}$ y $9 \times 10^{-6}$.

La sensibilidad en la región de 35–45 GeV muestra una mejora respecto a los resultados previos de CMS obtenidos mediante un esquema de adquisición de datos de tipo "scouting". Esta mejora se atribuye a la capacidad de la GPR para modelar la forma de la masa con precisión, permitiendo el uso de disparadores de muones estándar, no prescalados, y criterios de selección offline estándar.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el uso de la Regresión de Procesos Gaussianos proporciona una descripción flexible y precisa del continuo Drell–Yan en una región de masa caracterizada por umbrales de disparador y formas espectrales complejas. Al evitar las limitaciones de las parametrizaciones analíticas, el análisis logra una sensibilidad mejorada a las resonancias estrechas. Los resultados imponen restricciones estrictas en los espacios de parámetros de los modelos de fotón oscuro y de mediadores de materia oscura en el rango de 35–75 GeV, complementando los resultados existentes de CMS y LHCb. El estudio concluye que, si bien no se encontró evidencia de nueva física, la metodología extiende con éxito las capacidades de búsqueda de ATLAS hacia masas más bajas con un marco estadístico robusto.