⚛️ high-energy experiments

Search for emerging jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS experiment

En utilisant 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV, l'expérience ATLAS a mené une recherche de jets émergents dans des topologies à quatre jets et n'a trouvé aucun excès significatif par rapport au fond du Modèle Standard, établissant des limites d'exclusion sur les masses des médiateurs entre 1 et 2 TeV pour des paramètres spécifiques du secteur sombre.

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Publié 2026-07-16

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez l'univers comme une ville géante et bouillonnante où la plupart des bâtiments sont faits d'un matériau familier et visible appelé matière du « Modèle Standard ». Nous connaissons bien cette ville ; nous avons cartographié ses rues et nommé ses citoyens. Mais les astronomes soupçonnent depuis longtemps que cette ville visible n'est que la partie émergée de l'iceberg. Caché sous les rues, dans un vaste réseau souterrain invisible, se trouve un « Secteur Sombre ». Nous ne pouvons pas le voir directement car ses habitants n'interagissent pas avec la lumière ou les forces que nous utilisons pour construire notre monde. Cependant, nous savons que cette ville sombre doit exister car sa gravité maintient la ville visible ensemble, l'empêchant de s'éparpiller. Le grand mystère est le suivant : à quoi ressemble cette ville sombre ? Est-ce un vide calme et vide, ou une métropole chaotique possédant ses propres lois physiques complexes, ses propres particules et sa propre architecture étrange ?

Les scientifiques s'intéressent particulièrement à une théorie appelée « QCD Sombre ». Dans notre monde visible, une force appelée Chromodynamique Quantique (QCD) agit comme une colle super puissante, liant de minuscules particules appelées quarks pour former des protons et des neutrons. La théorie de la QCD Sombre suggère que le secteur sombre caché possède sa propre version de cette colle, créant ses propres « quarks sombres » qui s'agglutinent pour former des « hadrons sombres ». La partie passionnante est que ces particules sombres pourraient ne pas rester cachées éternellement. Elles pourraient occasionnellement se désintégrer, se transformant en nos particules familières et laissant derrière elles une signature très spécifique et étrange : un jet de particules qui semble apparaître soudainement au milieu d'un détecteur, loin de l'endroit où la collision a commencé. On les appelle des « jets émergents », et les trouver reviendrait à découvrir une station de métro secrète qui n'ouvre ses portes que pendant une fraction de seconde avant de disparaître à nouveau.

Ce document est un rapport de l'expérience ATLAS, un détecteur de particules massif situé au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) en Suisse. L'équipe a agi comme des détectives cosmiques, passant au crible une montagne de données provenant de 140 billiards de collisions de protons (140 fb⁻¹) survenues entre 2015 et 2018. Ils traquaient un scénario spécifique : la création, lors d'une collision, d'une paire de particules « médiatrices » lourdes et invisibles (imaginez-les comme des messagers sombres). Ces messagers se désintégreraient instantanément en un mélange de particules normales et de particules sombres. Les particules sombres voyageraient ensuite une courte distance à l'intérieur du détecteur avant de se transformer en un jet de particules normales, créant ainsi un « jet » qui semble émerger du néant, complet avec de multiples « sommets déplacés » (des points où la désintégration s'est produite loin du centre).

Pour trouver ces signaux insaisissables, les scientifiques n'ont pas seulement cherché une seule chose ; ils ont construit un « détective numérique » sophistiqué à deux étapes utilisant l'apprentissage automatique. D'abord, ils ont entraîné un ordinateur à reconnaître la forme et la structure uniques d'un jet solitaire qui pourrait cacher des secrets sombres. Ensuite, ils ont entraîné un second ordinateur à observer l'événement dans son ensemble, vérifiant si les quatre jets de la collision correspondaient au schéma d'une paire de messagers sombres en train de se désintégrer. Ils ont comparé leurs résultats à un immense bruit de fond de collisions de particules ordinaires, qui sont comme la foule bruyante lors d'un concert pouvant facilement étouffer un murmure.

Le résultat de cette recherche massive ? Les détecteurs sont restés silencieux. L'équipe n'a trouvé aucune preuve de jets émergents. Le nombre d'événements observés correspondait parfaitement aux prédictions de la physique ordinaire, sans qu'aucun excès mystérieux ne surgisse. Parce qu'ils n'ont pas trouvé le signal, ils n'ont pas pu prouver l'existence de ces messagers sombres, mais ils ont accompli quelque chose d'également important : ils ont tracé une carte très précise de l'endroit où ces messagers ne peuvent pas se trouver. Ils ont exclu l'existence de ces médiateurs sombres spécifiques s'ils ont des masses comprises entre 1 et 2 TeV (une unité d'énergie de masse) et si les particules sombres qu'ils créent ont une durée de vie spécifique de 20 mm. En d'autres termes, si ces messagers sombres existent, ils sont soit beaucoup plus lourds que 2 TeV, soit ils se comportent d'une manière totalement différente du modèle que les scientifiques testaient. La recherche continue, mais pour l'instant, cette version particulière de la ville sombre reste cachée.

Résumé technique : Recherche de jets émergents dans les collisions $pp $à$ \sqrt{s}=13$ TeV avec l'expérience ATLAS

Problème et motivation
Malgré des preuves étendues de l'existence de la matière noire (DM), sa nature particulaire demeure inconnue. Des modèles théoriques proposent un « secteur sombre » (DS) régi par un groupe de jauge de confinement analogue à la chromodynamique quantique (QCD), souvent appelé « QCD sombre ». Dans ces modèles, les quarks sombres ( $Q_d$ ) s'hadronisent en mésons sombres (pions sombres, $\pi_d$ ) et en baryons. Bien que des baryons sombres stables puissent constituer la matière noire, des mésons sombres instables peuvent redécroître en particules du Modèle Standard (SM) via un médiateur scalaire lourd ( $\phi$ ). Selon la durée de vie des pions sombres, ces désintégrations produisent des signatures distinctes : des jets sombres prompts, des jets semi-visibles (contenant de l'énergie transverse manquante), ou des « jets émergents » (EJ). Les EJ sont caractérisés par une multiplicité élevée de hadrons sombres à longue durée de vie qui se désintègrent dans le volume du détecteur, produisant de multiples sommets de désintégration (DVs) contenus au sein d'un même cône de jet. Ce papier présente une recherche d'EJ issus de la production par paire de médiateurs scalaires, un scénario qui n'est pas entièrement couvert par les recherches précédentes sur les jets prompts ou semi-visibles.

Méthodologie
L'analyse utilise 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $\sqrt{s}=13$ TeV collectées par le détecteur ATLAS entre 2015 et 2018 (Run 2).

Modèle de signal : La recherche cible la production par paire de médiateurs scalaires bifundamentaux ( $\phi$ ) via l'annihilation $q\bar{q}$ et la fusion gluon-gluon. Chaque médiateur se désintègre en un quark sombre et un quark du SM. Le quark sombre subit une cascade dans le secteur sombre, produisant un jet collimaté de pions sombres qui se désintègrent en quarks bas du SM ( $\pi_d \to d\bar{d}$ ) avec une durée de vie macroscopique. La topologie de l'état final consiste en quatre jets : deux jets du SM et deux jets émergents. L'analyse suppose un modèle non flavisé où le médiateur se couple uniquement aux quarks bas du SM.
Reconstruction d'événements : La reconstruction standard des traces ATLAS est complétée par un algorithme dédié de « Large Radius Tracking » (LRT) pour récupérer les traces avec de grands paramètres d'impact ( $|d_0| < 300$ mm). Les sommets de désintégration secondaires (DVs) sont reconstruits en utilisant à la fois les traces standard et les traces LRT, soumis à des critères de sélection stricts pour rejeter le bruit de fond provenant des interactions avec la matière et des particules du SM à longue durée de vie (ex: $K^0_S$ ).
Sélection d'événements : Les événements sont déclenchés sur au moins quatre jets avec $p_T > 120$ GeV. La sélection hors ligne exige que la somme scalaire des $p_T$ des quatre jets les plus prenants ( $H_T$ ) dépasse 1 TeV. Une variable clé, la fraction de traces promptes (PTF), est calculée pour les jets afin de distinguer les jets de type SM des jets contenant des traces déplacées. Les événements doivent contenir au moins un DV associé à un jet.
Stratégie de classification : Un classifieur par arbre de décision boosté (BDT) à deux étapes est employé. La première étape opère au niveau du jet en utilisant des observables telles que la masse, la largeur et l'énergie du jet. La seconde étape opère au niveau de l'événement, en utilisant les scores BDT des quatre jets les plus prenants, $H_T$ , la PTF minimale, la multiplicité de jets et la sphéricité transverse ( $S_T$ ).
Estimation du bruit de fond : Le bruit de fond dominant est la production de jets multiples QCD, qui est difficile à modéliser avec précision en simulation. Une approche entièrement basée sur les données, utilisant une méthode ABCD modifiée, est utilisée. Le plan ABCD est défini par la réponse de l'événement au BDT ( $R$ ) et le nombre de sommets de désintégration associés aux jets ( $N_{DV}$ ). La région de signal (SR) est définie par un $R$ élevé et un $N_{DV}$ élevé, tandis que des régions de contrôle (CR) sont utilisées pour estimer le rendement du bruit de fond dans la SR. Un ajustement linéaire est appliqué pour corriger les corrélations entre les variables. Deux régions de validation (Low- $H_T$ et Shifted-ABCD) confirment la méthode d'estimation du bruit de fond.

Contributions clés

Nouvelle stratégie de recherche : Cette analyse étend la recherche des signatures de QCD sombre à la topologie de jet émergent dans l'état final à quatre jets, ciblant spécifiquement la production par paire de médiateurs scalaires. Elle complète les recherches précédentes de Run 2 et Run 3 qui se concentraient sur les médiateurs vectoriels résonants ou les topologies à deux jets.
Apprentissage automatique avancé : L'implémentation d'un classifieur BDT à deux étapes permet de séparer efficacement la signature complexe des EJ du bruit de fond massif de jets multiples QCD, en exploitant à la fois la sous-structure des jets et les variables de forme globale de l'événement.
Estimation robuste du bruit de fond : L'application d'une méthode ABCD modifiée avec extrapolation linéaire permet une estimation précise et basée sur les données du bruit de fond dans une région où la simulation est peu fiable, validée par plusieurs régions de contrôle et de validation.
Gestion des incertitudes systématiques : L'analyse inclut un traitement complet des incertitudes systématiques, particulièrement celles liées à la reconstruction des traces et des sommets déplacés (LRT), qui constituent la source dominante d'incertitude pour les modèles de signaux à longue durée de vie.

Résultats
Aucun excès significatif d'événements au-dessus de l'attente du Modèle Standard n'a été observé.

Observé vs Attendu : Dans la région de signal, 103 événements ont été observés contre un bruit de fond prédit de $112 \pm 6$ (stat) $\pm 4$ (syst).
Limites d'exclusion : Des limites supérieures au niveau de confiance (CL) de 95 % ont été fixées sur la section efficace de production par paire du médiateur scalaire ( $\sigma(pp \to \phi^\dagger\phi)$ $σ (pp \to ϕ^{†} ϕ)$ ).
- Pour des pions sombres ayant une longueur de désintégration propre ( $c\tau_{\pi_d}$ ) de 20 mm et une masse ( $m_{\pi_d}$ ) de 20 GeV, les masses des médiateurs sont exclues dans la plage de 1 à 2 TeV.
- Spécifiquement, pour $m_{\pi_d} = 20$ GeV et $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, les masses allant jusqu'à 2,00 TeV sont exclues.
- Pour $m_{\pi_d} = 10$ GeV et $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, les masses jusqu'à 1,99 TeV sont exclues.
- Pour $m_{\pi_d} = 5$ GeV et $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, les masses jusqu'à 1,95 TeV sont exclues.
Dépendance à la durée de vie : La sensibilité est maximale pour les durées de vie intermédiaires ( $2 \text{ mm} < c\tau_{\pi_d} < 100 \text{ mm}$ ). La sensibilité diminue pour les durées de vie très courtes (en raison d'un déplacement réduit) et très longues (en raison de désintégrations se produisant en dehors de l'acceptation du traqueur).
Comparaison avec CMS : Les résultats sont comparés aux récentes recherches de CMS pour les jets émergents. Alors que CMS impose des limites plus strictes aux très faibles et très hautes durées de vie en utilisant un réseau de neurones sur graphe (GNN), cette analyse ATLAS démontre une sensibilité compétitive dans la plage de durée de vie intermédiaire ($2-300$ mm).

Signification
Ce papier établit les limites les plus strictes à ce jour sur la production par paire de nouveaux médiateurs scalaires dans la topologie de jet émergent pour des configurations spécifiques de masse et de durée de vie. En sondant des sections efficaces un facteur deux plus petites que les recherches précédentes d'ATLAS dans la topologie à quatre jets, cette analyse contraint de manière significative l'espace des paramètres des modèles de QCD sombre. Le résultat nul place des contraintes fortes sur l'existence de secteurs sombres possédant des symétries de type QCD et des médiateurs scalaires se couplant aux quarks de type bas, particulièrement pour des masses de médiateurs allant jusqu'à 2 TeV et des durées de vie de pions sombres autour de 20 mm. La méthodologie, notamment l'estimation du bruit de fond basée sur les données et le classifieur ML à deux étapes, fournit un cadre robuste pour les futures recherches de particules à longue durée de vie dans des environnements de jets complexes.

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