Search for soft unclustered energy patterns in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV using data scouting

Resumen Técnico: Búsqueda de Patrones de Energía Suave No Agrupada en Colisiones Protón-Protón a $\sqrt{s} = 13$ TeV mediante el uso de Data Scouting

Planteamiento del Problema
Los modelos de valle oculto (Hidden-valley) que presentan un sector oscuro fuertemente acoplado (DS) ofrecen un marco convincente para la física más allá del Modelo Estándar (SM), proporcionando potencialmente candidatos a materia oscura. Una firma específica predicha por estos modelos, particularmente aquellos con un gran acoplamiento de 't Hooft ($\lambda \gg 1$), es el Patrón de Energía Suave No Agrupada (SUEP, por sus siglas en inglés). Los SUEP se manifiestan como eventos de alta multiplicidad con partículas cargadas de bajo momento y distribución difusa, las cuales son isotrópicas en el sistema de referencia del centro de masa.

El principal desafío experimental para detectar SUEP en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es su similitud cinemática con los fondos del Modelo Estándar, específicamente los eventos de multijets de cromodinámica cuántica (QCD). Las estrategias de activación (trigger) estándar, que dependen de umbrales de momento transverso ($p_T$) elevados para gestionar las tasas de datos, suelen fallar en la captura de eventos SUEP porque las partículas constituyentes son suaves y no están agrupadas. Búsquedas previas que utilizaban la reconstrucción completa fuera de línea (offline) requerían sumas escalares de momentos transversos de jets elevadas ($H_T > 1$ TeV), lo que resultaba en una pérdida significativa de señal para modelos con masas de mediador menores o parámetros de temperatura específicos.

Metodología
Este análisis emplea la estrategia de "data scouting" del experimento CMS para reducir el umbral de activación para la actividad hadrónica manteniendo una tasa de datos manejable.

• Estrategia de Data Scouting: En lugar de registrar datos brutos de eventos, el Disparador de Alto Nivel (HLT) registra únicamente objetos reconstruidos (candidatos de Flujo de Partículas, jets y vértices primarios). Esto reduce el tamaño del evento en un factor de $\approx 100$, permitiendo que el umbral del trigger de $H_T$ se reduzca de 1 TeV (utilizado en búsquedas offline previas) a 410 GeV. Esto aumenta significamente la aceptación para las señales SUEP, particularmente para modelos con temperaturas ($T_D$) y masas de mesones oscuros ($m_\phi$) $\lesssim 2$ GeV.
• Conjunto de Datos: La búsqueda utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante 2016–2018, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 127 fb$^{-1}$.
• Modelo de Señal: El análisis se centra en la producción de un mediador escalar pesado ($S$) mediante fusión de gluones-gluones (ggF), que decae en un SUEP. El baño (showering) del sector oscuro se modela utilizando una distribución de Boltzmann relativista caracterizada por la masa del mesón oscuro ($m_\phi$) y la temperatura ($T_D$). Los mesones oscuros decaen en fotones oscuros ($A'$), que posteriormente decaen en partículas del Modelo Estándar ($e^+e^-$, $\mu^+\mu^-$ o $\pi^+\pi^-$).
• Selección de Eventos:
  • Los eventos deben pasar un trigger de alto $H_T$ (umbral de 410 GeV) y una preselección que requiere $H_T > 560$ GeV basada en jets anti-$k_T$ ($R=0.4$).
  • Se reconstruyen dos jets de radio grande ($R=1.5$, AK15). El jet con la mayor multiplicidad de constituyentes se identifica como el candidato a SUEP, el cual retrocede contra el sistema de Radiación de Estado Inicial (ISR).
  • Para recuperar la forma de evento isotrópica, los constituyentes del candidato a SUEP se transforman al sistema de reposo del jet. Se calcula la esfericidad generalizada ($S_{\text{boosted}}$).
  • Las regiones de señal (SR) se definen requiriendo que el número de constituyentes ($n_{\text{constituent}}$) $> 50$ y $S_{\text{boosted}} > 0.5$.
• Estimación del Fondo: El fondo dominante (multijets de QCD) se estima utilizando un método ABCD extendido. El espacio de fase se particiona en una cuadrícula de $3 \times 3$ basada en dos variables no correlacionadas: $n_{\text{constituent}}$ y $S_{\text{boosted}}$. Este enfoque mejora el tratamiento de las correlaciones de orden superior entre estas variables en comparación con los métodos ABCD estándar. Se deriva un factor de corrección ($c_{\text{bin}}$) a partir de regiones de control para dar cuenta de las desviaciones de forma en la región de señal.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud por intervalos (binned maximum likelihood fit) sobre la distribución de $n_{\text{constituent}}$ a través de las regiones de control y de señal, tratando los años de toma de datos por separado. Se incorporan las incertidumbres sistemáticas, incluyendo la eficiencia de rastreo (hasta un 50% para los intervalos de alta multiplicidad) y la luminosidad.

Contribuciones Clave

1. Reducción de los Umbrales de Activación: Mediante el uso de data scouting, este análisis logra reducir con éxito el umbral de $H_T$ a 410 GeV, extendiendo la sensibilidad a los modelos SUEP que anteriormente eran inaccesibles debido a las ineficiencias del trigger.
2. Método ABCD Extendido: La implementación de una cuadrícula de $3 \times 3$ en el método ABCD permite una estimación más robusta de los fondos de QCD en presencia de correlaciones entre la multiplicidad de eventos y la esfericidad.
3. Escaneo Exhaustivo de Parámetros: La búsqueda cubre un amplio rango de masas de mediador ($m_S$ de 125 GeV a 2 TeV), masas de mesones oscuros ($m_\phi$ de 1 a 8 GeV) y temperaturas ($T_D$), incluyendo escenarios con decaimientos leptónicos y hadrónicos de fotones oscuros.

Resultados

• Observación: Los datos observados en la región de señal son consistentes con la predicción del fondo del Modelo Estándar. No se observa un exceso significativo de eventos.
• Límites: El análisis establece los límites más estrictos hasta la fecha sobre la sección eficaz de producción de mediadores escalares pesados que decaen en señales de tipo SUEP.
  • Para masas de mediador $m_S$ entre 125 GeV y 2 TeV, los límites observados mejoran respecto a las búsquedas previas de reconstrucción offline hasta en un orden de magnitud en la mayor parte del espacio de parámetros.
  • Los límites de exclusión se presentan en el plano $(T_D, m_\phi)$ para varios valores de $m_S$. La región por debajo de las curvas de exclusión queda descartada para los modelos de señal probados.
  • La sensibilidad se reduce para señales con muy bajo $n_{\text{constituent}}$ debido a la menor eficiencia de rastreo inherente al trigger de scouting en comparación con la reconstrucción offline.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que esta búsqueda representa la sonda más sensible hasta la fecha para las firmas SUEP derivadas de modelos de valle oculto con grandes acoplamientos de 't Hooft. Al aprovechar el flujo de data scouting, la colaboración CMS ha logrado mitigar el sesgo del trigger contra los estados finales suaves y de alta multiplicidad. Los resultados proporcionan restricciones robustas a los modelos simplificados de baños de sector oscuro, excluyendo gran parte del espacio de parámetros para mediadores escalares con masas por encima de 125 GeV y temperaturas y masas de sector oscuro en el rango de unos pocos GeV. El análisis demuestra la eficacia de las estrategias de data scouting para descubrir firmas no convencionales que de otro modo permanecerían ocultas tras los umbrales de activación estándar.