Search for long-lived particles decaying into muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV using data scouting

Resumen Técnico: Búsqueda de partículas de larga vida que decaen en muones en colisiones protón-protón a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV mediante el uso de Data Scouting

Problema y Motivación
El origen de la materia oscura sigue siendo uno de los principales problemas sin resolver en la física de partículas, lo que motiva la búsqueda de un sector oculto (oscuro) que interactúa débilmente con las partículas del Modelo Estándar (SM). Este artículo aborda la búsqueda de partículas de larga vida (LLP) dentro de varios marcos más allá del Modelo Estándar (BSM), centrándose específicamente en escenarios donde el bosón de Higgs decae en partículas del sector oscuro o donde escalares de larga vida surgen de decaimientos de hadrones $b$. Los modelos clave incluyen el Modelo de Higgs Abeliano Oculto (HAHM), donde el Higgs decae en pares de fotones oscuros de larga vida ($Z_D$); modelos de lluvia oscura (dark-shower) que involucran grupos de gauge oscuros de confinamiento que producen "lluvias oscuras" de piones y fotones oscuros; y extensiones mínimas que involucran un escalar singlete ($\phi$) que se mezcla con el Higgs.

Un desafío significativo en la detección de estas firmas, particularmente para resonancias de baja masa ($m < 10$ GeV) con longitudes de decaimiento macroscópicas, es la limitación de los flujos de activación (trigger) estándar. Los disparadores estándar requieren típicamente partículas de alto momento transversal ($p_T$), lo que hace que los pares de muones desplazados de baja masa sean inaccesibles. Además, análisis previos utilizando CMS data scouting (un flujo de activación de alta tasa que conserva información reducida de los eventos) estuvieron limitados a desplazamientos de decaimiento ($l_{xy}$) menores a 11 cm debido a los requisitos de multiplicidad de impactos en el píxel.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el experimento CMS a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV durante 2022 y 2023, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 62.4 fb$^{-1}$.

• Estrategia de Disparo (Trigger): La búsqueda emplea un flujo de activación dedicado de dimuones de tipo "data scouting". Este flujo retiene solo información reducida (momentos cuatro, recuentos de impactos y detalles de trazas) en el Nivel Superior de Disparo (HLT), lo que permite una selección de eventos de alta tasa con umbrales de momento transversal bajos ($p_T \gtrsim 3-4$ GeV). Crucialmente, las actualizaciones de los disparadores de scouting en 2022 eliminaron el requisito de multiplicidad de impactos en el píxel, permitiendo la reconstrucción de pares de muones con desplazamientos de decaimiento de hasta 70 cm ($l_{xy} > 11$ cm), una fase de espacio previamente inaccesible para los análisis de scouting de CMS.
• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan basándose en la presencia de al menos un par de muones de carga opuesta (OS) asociados con un vértice secundario (SV). Los criterios de selección incluyen:
  • Desplazamiento del SV $l_{xy} < 70$ cm.
  • Calidad del ajuste del vértice ($\chi^2/\text{dof} < 3$) e incertidumbres de coordenadas.
  • Supresión de interacciones con la materia excluyendo SVs dentro de los módulos del rastreador (tracker).
  • Requisitos topológicos que aseguran que el vector de momento dimuónico sea colineal con el vector del SV (apuntante o pointing) para rechazar fondos combinatorios aleatorios.
  • Criterios de aislamiento y significancia del parámetro de impacto ($|d_{xy}|/\sigma_{d_{xy}} > 2$) para distinguir muones desplazados de fondos inmediatos (prompt).
  • Manejo específico de "exceso de impactos" ($N_{\mu\mu}^{\text{excess}}$) para rechazar muones inmediatos que forman accidentalmente un vértice desplazado.
• Categorización: Los eventos seleccionados se categorizan en:
  1. Eventos dimuónicos: Pares únicos de muones OS, subdivididos además por $l_{xy}$ (8 contenedores de 0 a 70 cm), topología apuntante vs. no apuntante, estado de aislamiento y $p_T^{\mu\mu}$ (< 25 GeV vs. > 25 GeV).
  2. Eventos de cuatro muones: Eventos con dos pares de muones OS, categorizados como "multivértice" (SVs espacialmente resueltos) o "vértice superpuesto" (SVs que se superponen dentro de las incertidumbres).
• Modelado de Fondo: El fondo del SM se estima directamente de los datos utilizando funciones analíticas suaves (polinomios de Bernstein, leyes de potencia, exponenciales) ajustadas al espectro de masa invariante multimuónica en ventanas deslizantes. Las resonancias conocidas del SM (por ejemplo, $J/\psi$, $\Upsilon$) son enmascaradas.
• Interpretación de la Señal: Las muestras de Monte Carlo (MC) de señal se generan para HAHM ($H \to Z_D Z_D$), escenarios de lluvia oscura (Escenarios A y B1), y decaimientos de $b$-hadrones ($h_b \to \phi X$). Los límites superiores sobre las razones de ramificación se establecen utilizando una razón de verosimilitud de perfil con el criterio CL$_s$.

Contribuciones Clave

1. Espacio de Fase Extendido: El análisis extiende significativamente el espacio de fase accesible para búsquedas de muones desplazados mediante el uso de disparadores de scouting actualizados para sondear longitudes de decaimiento de hasta 70 cm, superando la limitación de 11 cm de los análisis de scouting previos.
2. Sensibilidad de Baja Masa: Al emplear umbrales de $p_T$ bajos, la búsqueda apunta a resonancias estrechas con masas por debajo de 10 GeV, una región a menudo excluida por los disparadores estándar de alto $p_T$.
3. Categorización Exhaustiva: La inclusión de topologías de cuatro muones (tanto vértices resueltos como superpuestos) y la división detallada de los eventos dimuónicos por desplazamiento e aislamiento permiten la sensibilidad a una amplia variedad de mecanismos de producción y decaimiento BSM.
4. Fondo Basado en Datos: La dependencia del modelado de fondo basado en datos asegura la robustez frente a las incertidumbres de simulación en el régimen de baja masa y alta multiplicidad.

Resultados
No se observó un exceso significativo de eventos por encima de la predicción del Modelo Estándar en todos los espectros de masa invariante dimuónica o de cuatro muones en todas las categorías analizadas. En consecuencia, se establecieron límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) para las razones de ramificación de los modelos BSM considerados:

• Modelo de Higgs Abeliano Oculto: Se establecieron límites para $\mathcal{B}(H \to Z_D Z_D)$ para masas de fotones oscuros ($m_{Z_D}$) que van desde 0.5 a 50 GeV y longitudes de decaimiento propio ($c\tau_{Z_D}^0$) de 0.1, 1, 10 y 100 cm. Los resultados mejoran las restricciones previas, particularmente para $m_{Z_D} < 5$ GeV y $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ cm.
• Modelos de Lluvia Oscura: Se establecieron límites superiores para $\mathcal{B}(H \to \Psi\Psi)$ para los Escenarios A y B1. El análisis extiende el rango excluido de longitudes de decaimiento propio para fotones oscuros ($A'$) y piones oscuros ($\tilde{\pi}_3$) de 10 cm hasta 100 cm, superando los límites anteriores.
• Escalar de Larga Vida de $b$-Hadron: Se establecieron límites para el producto $\mathcal{B}(h_b \to \phi X)\mathcal{B}(\phi \to \mu\mu)$ para masas de escalar $m_\phi$ de hasta 4 GeV y tiempos de vida de 0.1, 1 y 10 cm. Estas restricciones son comparables a los resultados previos, con la mejora en la eficiencia del disparador compensando el conjunto de datos más pequeño en comparación con ejecuciones anteriores.

Significancia
El artículo afirma que las restricciones resultantes representan los límites más estrictos hasta la fecha para un amplio rango de espacio de parámetros en el modelo de Higgs Abeliano Oculto (específicamente para $m_{Z_D} < 5$ GeV y $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ cm) y para los modelos de lluvia oscura (para longitudes de decaimiento propio $> 10$ cm). El trabajo demuestra la eficacia de la técnica de data scouting para explorar los "puntos ciegos" en la aceptancia del detector, específicamente partículas de baja masa y larga vida que son inaccesibles para los flujos de activación estándar. Al extender el alcance hacia mayores longitudes de decaimiento y menores masas, el análisis reduce significativamente el espacio de parámetros viable para estas hipótesis BSM específicas.