Search for electroweak scale dijet resonances in pile-up collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Cet article présente la première recherche de résonances de dijets à l'échelle électrofaible dans la gamme de masse de 100 à 250 GeV utilisant des collisions avec empilement (pile-up) enregistrées par le détecteur ATLAS à $\sqrt{s}=13$ TeV, une stratégie novatrice qui contourne les seuils élevés des déclencheurs de jets pour sonder les résonances hadroniques de faible masse sans observer d'excès significatif par rapport aux attentes du Modèle Standard.

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme le collisionneur de particules le plus puissant et le plus rapide au monde. Chaque seconde, il fracasse des protons les uns contre les autres, créant une tempête chaotique de débris. Habituellement, les scientifiques cherchent un « trésor » spécifique et rare caché dans cette tempête — une nouvelle particule qui pourrait expliquer l'univers.

Cependant, il y a un problème. La tempête est si bruyante et encombrée de débris ordinaires (appelés « bruit de fond ») que les « agents de sécurité » des détecteurs (les déclencheurs ou triggers) doivent fixer le seuil d'alarme très haut. Ils ne laissent passer que les événements comportant des quantités massives d'énergie pour éviter d'être submergés. Cela signifie qu'ils ratent les événements plus petits, plus discrets, mais potentiellement passionnants, qui se produisent dans la plage de basse énergie. C'est comme essayer d'entendre un murmure lors d'un concert de rock en n'écoutant que les personnes qui hurlent.

La nouvelle stratégie : Écouter le « bruit de la foule »

Ce document décrit une astuce ingénieuse utilisée par la collaboration ATLAS pour entendre ces murmures.

Normalement, lorsque le LHC fracasse des protons, cela ne se produit pas seulement une fois par seconde. Cela se produit par « paquets » de collisions. Parfois, plusieurs collisions se produisent exactement au même moment. Les scientifiques appellent cela le « pile-up » (ou empilement).

Imaginez cela comme une gare très fréquentée :

• L'événement déclenché : Un passager VIP spécifique (un électron ou un muon) descend du train. La sécurité de la gare (le déclencheur) le voit, arrête le train et enregistre tout ce qui concerne ce VIP.
• Le Pile-up : Pendant que le VIP est contrôlé, des dizages d'autres passagers réguliers (d'autres protons entrant en collision) descendent également du train durant la même seconde.

Par le passé, les scientifiques ignoraient principalement ces « passagers réguliers » car ils étaient considérés comme du simple bruit de fond. Mais dans cette étude, l'équipe ATLAS a décidé de s'y intéresser. Ils ont réalisé que même si l'agent de sécurité était occupé à surveiller le VIP, les caméras enregistraient toujours les passagers réguliers.

Comment ils ont procédé

1. Le filtre VIP : Ils ont sélectionné des données où un « VIP » (un électron ou un muon de haute énergie) a été détecté. Cela garantissait qu'ils disposaient d'un enregistrement valide de ce moment précis.
2. Le scan de la foule : Au lieu d'étudier uniquement le VIP, ils sont retournés dans l'enregistrement et ont examiné toutes les autres collisions se produisant dans la même fraction de seconde. Ils ont traité ces collisions de « pile-up » comme des événements distincts.
3. La recherche : Ils ont recherché des paires de « jets » (des jets de particules) dans ces collisions de pile-up qui pourraient provenir d'une nouvelle particule de faible masse.

Pourquoi cela importe

C'est comme réaliser que, pendant que vous interviewez le PDG d'une entreprise, vous pouvez également analyser les conversations qui ont lieu dans la salle de pause juste à côté. Vous obtenez une énorme quantité de données supplémentaires sans avoir besoin de mettre en place un nouvel entretien.

En utilisant cette méthode, ils ont effectivement créé un nouveau jeu de données de 1,30 picobarn inverse. Bien que cela semble faible comparé au total des données collectées par ATLAS, c'est une quantité massive de données à basse énergie qui était auparavant inaccessible car les « agents de sécurité » les auraient bloquées.

Ce qu'ils ont trouvé

Ils ont scanné ce nouveau jeu de données pour une plage de masse comprise entre 100 et 250 GeV (une échelle d'énergie relativement basse). Ils cherchaient :

• Des particules du Modèle Standard : Comme les bosons W et Z (qu'ils s'attendaient à voir, mais qu'ils n'ont pas trouvés clairement).
• Une nouvelle physique : Plus précisément, une particule hypothétique appelée Z-prime (Z') qui pourrait être un pont vers la « matière noire », ou d'autres nouvelles particules génériques.

Le verdict

Le résultat ? Aucun nouveau trésor n'a été trouvé.

Les données ressemblaient exactement à ce que prédit le Modèle Standard (notre théorie actuelle de la physique). Il n'y avait pas de pics étranges ou de « bosses » dans les données qui indiqueraient une nouvelle particule.

Cependant, ce n'est pas un échec. C'est un succès sous un autre angle. Parce qu'ils n'ont rien trouvé, ils peuvent désormais affirmer avec une grande confiance : « Si une particule comme une Z' existe dans cette plage de masse spécifique, elle doit être très rare ou interagir très faiblement. » Ils ont fixé des limites strictes sur la façon dont elle pourrait être lourde ou sur la force de son interaction, réduisant ainsi efficacement la zone de recherche pour les futures expériences.

En résumé
L'équipe ATLAS a utilisé une stratégie de « recyclage » ingénieuse pour examiner les « déchets » (les collisions de pile-up) qui sont habituellement jetés. Ils les ont transformés en un nouveau jeu de données propre pour rechercher des particules de basse énergie. Ils n'ont pas trouvé de nouvelles particules, mais ils ont prouvé avec succès que cette méthode fonctionne et ont écarté plusieurs possibilités de ce à quoi la nouvelle physique pourrait ressembler dans cette gamme d'énergie spécifique.

Résumé technique

Résumé Technique : Recherche de résonances de l'échelle électrofaible dans les collisions avec empilement (pile-up)

Énoncé du Problème
Les recherches conventionnelles de résonances hadroniques dans le régime de masse sub-TeV au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) sont sévèrement contraintes par le taux écrasant des processus de fond multijet du Modèle Standard (SM) décrits par la chromodynamique quantique (QCD). Pour gérer les taux de données, les expériences imposent généralement des seuils de déclenchement (triggers) de moment transverse ($p_T$) élevé pour les jets, ce qui exclut de fait les résonances de faible masse (100–250 GeV) de l'analyse. Bien que des stratégies alternatives existent — comme le stockage d'informations réduites pour une analyse au niveau du déclencheur ou l'exigence d'objets de rayonnement initial (ISR) associés à haut $p_T$ tels que des photons ou des jets — ces approches souffrent de limitations intrinsèques. Les analyses au niveau du déclencheur manquent de capacités de reconstruction hors ligne complètes, et les recherches basées sur l'ISR souffrent d'une acceptation réduite et reposent sur des hypothèses topologiques spécifiques (par exemple, des désintégrations équilibrées en $p_T$) qui peuvent ne pas s'appliquer à tous les modèles de nouvelle physique, tels que la QCD sombre ou la production initiée par des gluons.

Méthodologie
Cet article présente une stratégie de recherche novatrice utilisant un ensemble de données unique où plusieurs interactions proton-proton ($pp$) se produisant au sein d'un même croisement de faisceaux (pile-up) sont reconstruites séparément. L'analyse utilise des données collectées par le détecteur ATLAS durant la période 2016–2018 à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV.

• Construction de l'ensemble de données : L'ensemble de données est dérivé d'événements déclenchés par des déclencheurs électron simple ou muon simple (avec une exigence de $p_T$ de 26 GeV). Pour chaque croisement de faisceaux enregistré (RBC), le « sommet de déclenchement » (TPV — triggering primary vertex) — associé au lepton ayant déclenché le processus — est identifié et supprimé. Les autres sommets primaires de pile-up (PPV — pile-up primary vertices) restants sont alors analysés comme des événements de collision indépendants. Cette méthode produit un ensemble de données non biaisé par le déclencheur avec une luminosité intégrée effective de 1,30 pb$^{-1}$.
• Reconstruction des objets : L'analyse emploie la reconstruction standard des objets ATLAS étendue à tous les sommets primaires. Les jets sont reconstruits avec l'algorithme anti-$k_t$ ($R=0,4$) en utilisant des objets de flux de particules (PFO — Particle Flow Objects) comme entrées. Un marqueur jet-sommet (JVT — Jet-Vertex Tagger) est appliqué pour garantir que les jets sont cohérents avec leur sommet associé.
• Critères de sélection : Pour garantir un échantillon non biaisé par le déclencheur, le TPV et tout sommet situé dans un $\Delta z < 2$ mm sont exclus. L'analyse sélectionne les PPV contenant au moins deux jets avec un $p_T > 17$ GeV et $|\eta| < 2,0$. Des exigences supplémentaires concernant l'isolation géométrique entre les jets de différents sommets, des coupes de temps pour rejeter le pile-up hors intervalle de temps (out-of-time), et une coupe sur la différence de rapidité $|y^*| < 0,8$ sont appliquées pour améliorer les topologies de signal résonantes par rapport au fond QCD en canal $t$.
• Estimation du fond : Le fond multijet QCD non résonnant est modélisé par une forme fonctionnelle à décroissance régulière ajustée au spectre de la masse dijet ($m_{jj}$). L'ajustement inclut un terme de montée en puissance (turn-on) pour tenir compte des effets de seuil. La compatibilité des données avec l'hypothèse de fond seul est testée à l'aide de $p$-valeurs $\chi^2$ et de l'algorithme BumpHunter.
• Modèles de signal : La recherche interprète les résultats dans le contexte de :
  1. Un modèle de matière noire simplifié présentant un médiateur axial-vectoriel ($Z'$) couplant aux quarks.
  2. Un modèle de signal gaussien générique.
  3. La production de bosons SM $W/Z$ (modélisée par des modèles double-gaussienne).

Principales Contributions

• Première application du pile-up pour les résonances dijet : Ce travail constitue la première application des collisions de pile-up pour sonder les échelles de masse dijet basses, démontrant qu'il est possible de conserver les pleines capacités de reconstruction hors ligne tout en accédant à un régime typiquement interdit par les seuils de déclenchement.
• Accès à basse masse non biaisé par le déclencheur : L'analyse fournit un ensemble de données avec une puissance statistique compétitive pour les signatures à faible acceptance de déclenchement de jet, offrant un facteur 30 de luminosité supérieure au flux ZeroBias d'ATLAS et des statistiques nettement plus élevées que les déclencheurs de jet simple prescalés dans la plage de masse 100–140 GeV.
• Indépendance de modèle : Contrairement aux recherches basées sur l'ISR, cette stratégie de dijet résolu ne dépend pas de sélections de sous-structure ou d'hypothèses sur les désintégrations équilibrées en $p_T$, conservant ainsi la sensibilité à des modèles tels que la QCD sombre où une partie de la cascade peut être invisible, ainsi qu'aux résonances couplant principalement aux gluons.

Résultats

• Compatibilité avec le fond : Le spectre observé de la masse invariante dijet est cohérent avec l'hypothèse de fond seul. L'ajustement produit une $p$-valeur $\chi^2$ de 0,08. Aucun excès significatif n'est observé au-dessus de l'attente du fond.
• Excès locaux : L'algorithme BumpHunter a identifié un excès local entre 106 et 131 GeV avec une signification locale de $1,7\sigma$ (p-valeur globale de 0,67). Une hypothèse de signal $Z'$ spécifique à $m_{Z'} = 112$ GeV a montré une signification locale de $3,0\sigma$, correspondant à une signification globale de $2,3\sigma$ après prise en compte de l'effet de recherche multiple (look-elsewhere effect) ; cela n'est pas considéré comme une découverte.
• Limites d'exclusion :
  • Modèle $Z'$ : Pour un médiateur axial-vectoriel avec un couplage $g_q = 0,6$, les masses comprises entre 135 et 185 GeV sont exclues au niveau de confiance (CL) de 95 %. Le couplage le plus bas exclu est $g_q = 0,28$ à une masse d'environ 150 GeV.
  • Modèle Gaussien : Des limites supérieures sur le produit de la section efficace par l'acceptation par le rapport de branchement ($\sigma \times A \times B$) sont fixées pour des résonances gaussiennes avec des largeurs relatives de 10 à 25 %. Les limites varient de 1,5 nb à 15 nb selon la masse et la largeur.
  • SM $W/Z$ : Bien que l'analyse soit sensible aux désintégrations hadroniques de $W/Z$, aucun signal significatif n'est observé. La limite supérieure à 95 % CL sur le rendement est cohérente avec la contribution attendue du SM, bien que la sensibilité soit proche du seuil requis pour la détection.

Signification
L'article affirme que cette analyse complète le programme de recherche de basse masse d'ATLAS en fournissant une recherche inclusive avec une reconstruction complète des objets et sans hypothèses concernant le rayonnement initial. Elle démontre avec succès la faisabilité de l'utilisation des collisions de pile-up pour sonder les résonances de l'échelle électrofaible, une région de masse auparavant inaccessible aux recherches dijet standard basées sur les déclencheurs en raison de taux de fond prohibitifs. Les résultats établissent des limites d'exclusion compétitives pour les modèles de matière noire simplifiés et les résonances génériques, validant la technique de reconstruction du pile-up comme un outil viable pour étendre la portée physique du LHC vers le régime de basse masse.