Search for dark matter in a signature with a four-prong large-radius jet in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Búsqueda de Materia Oscura en una Firma con un Jet de Gran Radio de Cuatro Ramas

Problema y Motivación
Aunque la naturaleza de la materia oscura (DM) sigue siendo desconocida, las extensiones del Modelo Estándar (SM) a menudo predicen un "sector oscuro" que contiene partículas adicionales, potencialmente de larga vida. Este artículo investiga una firma específica de materia oscura no prompta donde los candidatos a materia oscura se producen en asociación con radiación de estado inicial (ISR). El modelo de señal postula un mediador vectorial o axial-vectorial pesado ($Y_1$) que acopla el SM con un sector oscuro. Este mediador decae en un par de fermiones de Dirac ($\chi_2$), los cuales son de larga vida y decaen de forma no prompta en una partícula de materia oscura estable ($\chi_1$) y un bosón escalar ligero ($Y_0$). El bosón $Y_0$ decae posteriormente en un par de quarks del SM.

La firma característica implica la producción de dos partículas $\chi_2$ de larga vida que decaen dentro del detector ("decaimientos desplazados"), generando actividad hadrónica desplazada acompañada de un momento transversal faltante significativo ($p_T^{miss}$) proveniente de las dos partículas $\chi_1$ no detectadas. Debido al gran impulso de Lorentz del sistema $Y_1$ y las masas pequeñas de las partículas de la cadena de decaimiento, se espera que los cuatro quarks resultantes de los dos decaimientos de $Y_0$ estén altamente colimados. En consecuencia, el análisis se centra en eventos donde estos cuatro quarks se reconstruyen como un único jet de gran radio con una subestructura de cuatro ramas.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante 2016–2018, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$.

• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan requiriendo al menos dos jets de gran radio (AK8) con un momento transversal $p_T > 200$ GeV y una pseudorapidez $|\eta| < 2.5$. El jet AK8 principal debe tener un $p_T > 500$ GeV para asegurar una alta eficiencia de activación (trigger). Se requiere un $p_T^{miss}$ mínimo de 200 GeV para suprimir los fondos del SM que carecen de energía faltante genuina. Se rechazan los eventos que contienen leptones reconstruidos (electrones, muones o taus hadrónicos).
• Etiquetado de Jets (Jet Tagging): Se emplea un clasificador basado en Redes Neuronales de Grafos (GNN) para identificar jets similares a la señal. La red utiliza una arquitectura de red de interacción que construye un grafo a partir de los constituyentes del jet (partículas) e información de vértices secundarios. Este enfoque modela explícitamente la información relacional entre partículas, lo cual es crucial para identificar las correlaciones no triviales introducidas por las topologías desplazadas. La GNN es entrenada con jets de señal simulados (que abarcan varios pesos de mediadores y tiempos de vida) y jets de fondo de multijets QCD.
• Definición de la Región de Señal (SR): La SR se define seleccionando eventos donde el jet AK8 principal tiene una masa ungroomed PUPPI superior a 40 GeV y una puntuación del etiquetador GNN de $s_{GNN} > 0.8$.
• Estimación de Fondo:
  • Multijets QCD: Estimado utilizando una Región de Control (CR) con $0.4 < s_{GNN} < 0.8$. Se utilizan factores de transferencia (TF) derivados de simulación para extrapolar el rendimiento de QCD desde la CR hacia la SR.
  • W + Jets: Estimado utilizando una CR que contiene exactamente un leptón y un jet AK8 con $0.4 < s_{GNN} < 0.8$.
  • Z + Jets: Estimado utilizando una CR con eventos $Z(\to \ell\ell) + \text{jets}$, utilizando el vector de retroceso hadrónico para emular la distribución de $p_T^{miss}$ de $Z(\to \nu\nu) + \text{jets}$.
  • Fondos Subdominantes: La producción de quarks top y los procesos de dibosones se estiman mediante simulación de Monte Carlo.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud por intervalos (binned maximum likelihood fit) en la distribución de $p_T^{miss}$ en la SR. Las incertidumbres sistemáticas, incluyendo las relacionadas con la escala/resolución de la energía del jet, la eficiencia del etiquetador GNN (validada mediante el reponderado del plano de Lund jet) y las fluctuaciones estadísticas de los factores de transferencia, se incorporan como parámetros de molestia (nuisance parameters).

Contribuciones Clave

• Primera Búsqueda en Topología Desplazada con Impulso (Boosted): Este trabajo presenta la primera búsqueda de un par de candidatos a materia oscura no prompta en una topología con impulso de Lorentz caracterizada por un jet de gran radio y un gran $p_T^{miss}$.
• Aplicación de GNNs a Jets Desplazados: El análisis extiende el uso de etiquetadores de jet basados en GNN, previamente aplicados a firmas multipronga promptas, a jets desplazados de gran radio. Valida el uso de la información de vértices secundarios dentro de la estructura del grafo para mejorar la sensibilidad a los decaimientos no promptos.
• Modelado Exhaustivo de Fondos: El estudio emplea un enfoque basado en datos para los fondos dominantes (QCD, W+jets, Z+jets) utilizando regiones de control dedicadas y factores de transferencia, asegurando la robustez frente a las incertidumbres de simulación.

Resultados
No se observa un exceso significativo de eventos sobre la expectativa del Modelo Estándar en el espectro de momento transversal faltante. Se establecen límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) en la intensidad de la señal ($\mu = \sigma/\sigma_{teoría}$) como funciones de la masa del mediador ($m_{Y_1}$) y la fuerza de acoplamiento ($g_{\chi_2\chi_1Y_0}$). Los límites observados concuerdan con los límites esperados dentro de dos desviaciones estándar. El análisis excluye hipótesis de señal específicas correspondientes al espacio de parámetros probado, tal como se detalla en los escenarios de referencia (Tabla 1) y la Figura 4.

Significancia
El artículo reclama significancia como la búsqueda inaugural de esta firma experimental específica: un par de candidatos a materia oscura no prompta producidos en una topología con impulso de Lorentz. Al reconstruir con éxito el decaimiento de mediadores ligeros en cuatro quarks como un único jet de gran radio y utilizar técnicas avanzadas de aprendizaje automático para identificar subestructuras desplazadas, el análisis demuestra la capacidad del detector CMS para sondear modelos complejos de sector oscuro que involucran partículas de larga vida. Los resultados restringen el espacio de parámetros del modelo simplificado bajo investigación, específicamente excluyendo regiones definidas por los pesos de mediador y las fuerzas de acoplamiento probadas.