Search for soft unclustered energy patterns containing muons in the final state in $pp$ collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, cette étude recherche des motifs d'énergie non regroupée et douce (SUEP) contenant des muons dans des scénarios de Hidden Valley, ne trouvant aucun excès significatif par rapport aux prédictions du Modèle Standard et établissant des limites d'exclusion sur la section efficace de production et la fraction d'embranchement pour des médiateurs scalaires dont les masses varient de 125 à 750 GeV.

L'essentiel

La Recherche du "Motif d'Énergie Douce Non Agrégré" (SUEP)

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) comme le plus puissant briseur de particules au monde. Habituellement, lorsque les scientifiques font entrer en collision des protons, ils s'attendent à ce que les débris s'échappent de manière spécifique et prévisible — comme deux voitures qui se percutent et envoient des morceaux voler dans des jets distincts et à grande vitesse.

Mais que se passerait-il si, au lieu d'un crash, la collision créait un nuage doux et en expansion de milliers de particules minuscules et lentes ? C'est l'idée derrière un "Motif d'Énergie Douce Non Agrégré" (SUEP).

Ce document est un rapport de l'expérience ATLAS au CERN, où les scientifiques ont recherché ce type spécifique de "nuage" parmi 140 billions de collisions de protons. Voici une analyse de ce qu'ils ont fait et de ce qu'ils ont découvert, en utilisant des analogies simples.

1. La Théorie : La "Fête Cachée"

Les scientifiques recherchent des preuves d'une "Vallée Cachée".

• L'Analogie : Imaginez le Modèle Standard de la physique comme une ville animée et bruyante. La "Vallée Cachée" est un quartier secret et parallèle juste à côté, que nous ne pouvons pas voir directement.
• Le Lien : Parfois, un "messager" (appelé médiateur scalaire) est créé dans la ville. Ce messager pénètre dans le quartier secret et y organise une fête.
• La Fête : Dans ce quartier caché, les règles sont différentes. Au lieu de quelques invités bruyants (particules de haute énergie), la fête produit une foule massive de centaines d'invités calmes et de faible énergie (particules douces).
• La Sortie : Finalement, ces invités calmes quittent le quartier secret et réintègrent notre ville visible. S'ils le font, ils arrivent sous la forme d'une explosion soudaine et isotrope (égale dans toutes les directions) de nombreuses particules de faible énergie.

2. Le Défi : Trouver une Aiguille dans une Botte de Foin

Le problème est que ces "invités calmes" sont très difficiles à repérer.

• Le Problème du Déclenchement : Le détecteur ATLAS est comme un système de caméras de sécurité conçu pour attraper des événements rapides et bruyants (comme une voiture qui file). Il ignore souvent les choses lentes et calmes.
• Le Bruit de Fond : Le monde réel est rempli de "bruit". Lorsque les protons entrent en collision, ils produisent souvent des particules lourdes (comme des quarks top) qui se désintègrent en muons (un type de particule similaire à un électron mais plus lourd). Ces muons arrivent généralement par paires ou petits groupes et volent dans des directions spécifiques.
• La Stratégie : L'équipe a décidé de rechercher une signature très spécifique : un grand groupe de muons qui sont :
  1. Doux : Se déplaçant lentement (faible énergie).
  2. Prompt : Apparaissant immédiatement (sans délai).
  3. Isotropes : Répartis uniformément dans un cercle, comme un pissenlit en fleur, plutôt que de voler en ligne droite comme un jet.

3. L'Enquête : Comment Ils Ont Cherché

Les scientifiques ont analysé des données de 2015 à 2018 (140 fb⁻¹ de données). Ils ont utilisé un filtre astucieux en deux étapes pour séparer le "signal" (le SUEP) du "bruit" (bruit de fond standard) :

• Étape 1 : Le Comptage des Muons. Ils ont recherché des événements comportant au moins 5 muons.
• Étape 2 : La Vérification de la Forme (Sphéricité).
  • Bruit de Fond : Habituellement, les muons de fond proviennent de la désintégration de particules lourdes. Ils ont tendance à se regrouper ou à voler dans deux directions opposées (comme un moteur à réaction).
  • Le Signal : Un événement SUEP ressemblerait à une sphère parfaite de muons, répartis uniformément dans toutes les directions.
• Étape 3 : Le Comptage des Trajectoires. Ils ont également compté le nombre total de trajectoires chargées (chemins laissés par les particules). Un événement SUEP devrait avoir beaucoup de trajectoires en raison du grand nombre de particules, tandis que les événements de fond en ont généralement moins.

Ils ont utilisé une méthode statistique appelée méthode ABCD. Imaginez cela comme un jeu de "Chaud et Froid". Ils ont défini quatre zones basées sur la "sphéricité" de l'événement et le nombre de trajectoires. Ils ont utilisé trois zones pour apprendre à quoi ressemble le bruit de fond, puis ont vérifié la quatrième zone (la "Région de Signal") pour voir s'il y avait des invités inattendus.

4. Les Résultats : Aucune Nouvelle Particule Trouvée

Après avoir fait les calculs, le résultat était clair : Aucun excès significatif n'a été trouvé.

• Le Résultat : Le nombre d'événements observés dans la "Région de Signal" correspondait exactement à ce qui était attendu du bruit de fond standard. Il n'y avait pas de "pissenlit" de particules de vallée cachée.
• Les Limites : Même s'ils ne l'ont pas trouvé, ils ont établi des limites strictes sur la masse que pourrait avoir la particule "messager" et sur la probabilité qu'elle se désintègre dans cet état caché.
  • Si le messager est lourd (750 GeV), la probabilité qu'il se transforme en un SUEP est inférieure à 0,05 % (très rare).
  • Si le messager est le boson de Higgs (125 GeV), la probabilité qu'il se désintègre dans cet état caché est inférieure à 0,2 %.

5. Conclusion

L'équipe ATLAS a réussi à lancer un large filet pour un type d'événement physique très exotique. Ils ont prouvé que si ces "Motifs d'Énergie Douce Non Agrégré" existent, ils sont encore plus rares que prévu, ou qu'ils n'existent pas dans les plages de masses spécifiques qu'ils ont testées.

En bref : Ils ont cherché un nuage calme et sphérique de particules au milieu d'une collision bruyante et chaotique. Ils n'ont pas trouvé le nuage, mais ils ont réussi à cartographier exactement où il n'est pas, aidant à rétrécir la recherche de nouvelle physique à l'avenir.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche de motifs d'énergie douce non regroupés contenant des muons dans les collisions $pp$à$\sqrt{s}=13$ TeV

Problème et motivation
Les modèles Hidden Valley (HV) proposent un secteur caché connecté au Modèle Standard (MS) via des interactions de portail faible. Alors que de nombreuses recherches ciblent des secteurs cachés produisant des signatures de type jet (par exemple, des jets semi-visibles ou émergents), des scénarios où le secteur caché reste fortement couplé bien au-dessus de son échelle d'hadronisation peuvent produire des « motifs d'énergie douce non regroupés » (SUEP). Ces signatures consistent en des particules de haute multiplicité et de faible quantité de mouvement distribuées approximativement de manière isotrope dans le référentiel du centre de masse. De tels événements sont difficiles à déclencher et à reconstruire en raison de l'absence d'objets durs ou collimatés. Les recherches précédentes menées par la collaboration CMS visaient les SUEP en utilisant un rayonnement initial de haute impulsion transverse ou une production associée avec des bosons vecteurs, mais ces approches étaient principalement sensibles aux grandes masses de médiateur ou nécessitaient des multiplicités de particules très élevées, limitant ainsi la couverture pour les scénarios à plus faibles multiplicités et pour des plages de masses spécifiques de photons sombres. Cet article présente une recherche complémentaire ciblant des états finals à haute multiplicité de muons prompts, étendant la sensibilité aux scénarios SUEP à multiplicités de particules modérées et fractions de muons importantes.

Méthodologie
L'analyse utilise 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $\sqrt{s}=13$ TeV collectées par le détecteur ATLAS au cours de la période 2015–2018. La recherche vise la production par fusion de gluons d'un médiateur scalaire $S$ (soit le boson de Higgs du MS, soit un scalaire plus lourd) se désintégrant en un secteur caché quasi-conforme. Les particules du secteur caché forment une gerbe et hadronisent en mésons sombres ($\phi$), qui se désintègrent promptement en photons sombres ($A'$), se désintégrant ensuite en particules du MS (électrons, muons et hadrons).

• Sélection des événements : Les événements sont sélectionnés à l'aide de déclencheurs multi-muons (exigeant $\ge 3$ muons avec $p_T > 6$ GeV en 2015–2016, ou $\ge 4$ muons avec $p_T > 4$ GeV en 2017–2018). La sélection hors ligne exige :
  • Au moins 5 muons prompts ($N_\mu \ge 5$).
  • Une impulsion transverse moyenne des muons $\langle p_T^\mu \rangle < 10$ GeV pour supprimer les bruits de fond issus de désintégrations de particules lourdes (par exemple, $Z$, $t\bar{t}$).
  • Une significativité du paramètre d'impact transverse du muon de plus haute $p_T$, $d_0^{sig}(\mu_1) < 3$, pour garantir la nature prompte.
• Observables discriminantes : Deux observables clés sont utilisées pour distinguer le signal du bruit de fond dominant des multijets QCD :
  1. Sphéricité des muons ($S_\mu$) : Calculée dans le référentiel au repos du système de muons pour caractériser la distribution isotrope des muons du signal. Les événements de signal sont attendus avec une sphéricité élevée ($S_\mu > 0.6$), tandis que les événements de bruit de fond tendent à être plus collimatés.
  2. Multiplicité de traces corrigée ($N_{tracks}$) : Le nombre de traces de particules chargées associées au vertex primaire, corrigé pour les contributions de pile-up à l'aide d'une méthode basée sur les données, fondée sur la position longitudinale du vertex primaire et la luminosité instantanée.
• Estimation du bruit de fond : Le bruit de fond est estimé à l'aide d'une méthode ABCD basée sur les données et le maximum de vraisemblance. La méthode exploite la faible corrélation entre $N_{tracks}$ et $S_\mu$ dans les régions de validation (définies en faisant varier la multiplicité des muons et la significativité du paramètre d'impact). La prédiction du bruit de fond est contrainte par des ajustements de maximum de vraisemblance aux données dans les régions de contrôle, les incertitudes systématiques tenant compte des corrélations résiduelles et des variations de modélisation.

Contributions clés

• Stratégie de déclenchement novatrice : L'analyse démontre l'efficacité des déclencheurs multi-muons pour les recherches de SUEP, permettant une sensibilité à des scénarios à multiplicités de particules modérées qui étaient auparavant inaccessibles aux déclencheurs basés sur le calorimètre.
• Modélisation du bruit de fond basée sur les données : La mise en œuvre d'une méthode ABCD robuste utilisant $N_{tracks}$ et $S_\mu$ permet une prédiction du bruit de fond entièrement basée sur les données, sans dépendre d'échantillons de bruit de fond simulés pour la composante dominante des multijets QCD.
• Balayage complet des paramètres : L'étude explore une large gamme de paramètres de modèle, notamment les masses de médiateur ($m_S = 125, 400, 750$ GeV), les masses de mésons sombres ($m_\phi = 1.5, 3, 5$ GeV), les températures de Hagedorn ($T$) et les masses de photons sombres ($m_{A'} = 0.3, 0.5, 0.7$ GeV).

Résultats
Aucun excès significatif par rapport à l'attente du Modèle Standard n'est observé dans la région de recherche. Les résultats sont interprétés comme des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % (CL) sur le produit de la section efficace de production du médiateur et de la fraction de branchement pour sa désintégration en un SUEP ($\sigma_S \times \mathcal{B}(S \to \text{SUEP})$).

• Limites d'exclusion : Les limites observées atteignent :
  • $\sim 0.05$ fb pour $m_S = 750$ GeV.
  • $\sim 0.4$ fb pour $m_S = 400$ GeV.
  • $\sim 70$ fb pour $m_S = 125$ GeV.
• Fraction de branchement du Higgs : Pour le cas où le médiateur est le boson de Higgs du MS ($m_S = 125$ GeV), la limite supérieure sur la fraction de branchement $\mathcal{B}(H \to \text{SUEP})$ est d'environ 0,2 % (spécifiquement $\sim 0.3\%$ pour $m_\phi = T = 3, 5$ GeV et $m_{A'} = 0.5$ GeV). Cela représente une amélioration significative par rapport aux limites précédentes pour des paramètres de modèle similaires.
• Sensibilité : Les limites les plus fortes sont généralement obtenues pour $m_\phi = T = 3$ GeV. La sensibilité diminue pour des valeurs inférieures en raison d'une efficacité de déclenchement réduite pour les particules plus douces, et pour des valeurs supérieures en raison d'une multiplicité de particules réduite.

Signification
Cette recherche étend la sensibilité aux scénarios SUEP au-delà des résultats précédents du LHC, en particulier dans les régions de l'espace des paramètres caractérisées par des multiplicités de particules modérées et des fractions de muons importantes dans l'état final. En utilisant des déclencheurs multi-muons et une technique d'estimation du bruit de fond basée sur les données, l'analyse fournit une approche complémentaire aux recherches existantes ciblant principalement des états finals hadroniques. Les résultats contraignent une large gamme de modèles Hidden Valley et démontrent la capacité du détecteur ATLAS à sonder des signatures non conventionnelles, douces et isotropes. L'article affirme que ces limites sont d'un à quatre ordres de grandeur plus strictes que les résultats précédents pour des scénarios de référence spécifiques, améliorant considérablement les contraintes sur la fraction de branchement du boson de Higgs vers les désintégrations du secteur caché.