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

Résumé technique : Recherche de la matière noire dans une signature avec un jet à quatre branches de grand rayon

Problématique et motivation
Bien que la nature de la matière noire (DM) demeure inconnue, les extensions du Modèle Standard (SM) prédisent souvent un « secteur sombre » contenant des particules additionnelles, potentiellement à longue durée de vie. Cet article étudie une signature spécifique de matière noire non prompt où les candidats de DM sont produits en association avec un rayonnement initial (ISR). Le modèle de signal postule un médiateur vecteur ou axial-vectoriel lourd ($Y_1$) qui couple le SM à un secteur sombre. Ce médiateur se désintègre en une paire de fermions de Dirac ($\chi_2$), qui sont à longue durée de vie et se désintègrent de manière non prompta en une particule de matière noire stable ($\chi_1$) et un boson scalaire léger ($Y_0$). Le boson $Y_0$ se désintègre ensuite en une paire de quarks du SM.

La signature caractéristique implique la production de deux particules $\chi_2$ à longue durée de vie qui se désintègrent à l'intérieur du détecteur (« désintégrations déplacées »), générant une activité hadronique déplacée accompagnée d'une impulsion transverse manquante significative ($p_T^{miss}$) provenant des deux particules $\chi_1$ indétectées. En raison du grand boost de Lorentz du système $Y_1$ et des masses de faible valeur des particules de la chaîne de désintégration, les quatre quarks résultant des deux désintégrations de $Y_0$ devraient être hautement collimatés. Par conséquent, l'analyse cible les événements où ces quatre quarks sont reconstruits comme un seul jet de grand rayon présentant une sous-structure à quatre branches.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV durant la période 2016–2018, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb$^{-1}$.

• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant au moins deux jets de grand rayon (AK8) avec une impulsion transverse $p_T > 200$ GeV et une pseudorapidité $|\eta| < 2,5$. Le jet AK8 principal doit avoir un $p_T > 500$ GeV pour garantir une haute efficacité de déclenchement (trigger). Un $p_T^{miss}$ minimum de 200 GeV est requis pour supprimer les fonds du SM dépourvus de véritable énergie manquante. Les événements contenant des leptons reconstruits (électrons, muons ou taus hadroniques) sont rejetés.
• Étiquetage de jet (Jet Tagging) : Un classificateur basé sur un réseau de neurones sur graphes (GNN) est employé pour identifier les jets de type signal. Le réseau utilise une architecture de réseau d'interaction qui construit un graphe à partir des constituants du jet (particules) et des informations de vertex secondaire. Cette approche modélise explicitement l'information relationnelle entre les particules, ce qui est crucial pour identifier les corrélations non triviales introduites par les topologies déplacées. Le GNN est entraîné sur des jets de signal simulés (couvrant diverses masses de médiateurs et durées de vie) et des jets de fond multijet QCD.
• Définition de la région de signal (SR) : La SR est définie en sélectionnant les événements où le jet AK8 principal possède une masse PUPPI non « groomed » supérieure à 40 GeV et un score de l'étiqueteur GNN $s_{GNN} > 0,8$.
• Estimation du fond :
  • Multijet QCD : Estimé à l'aide d'une région de contrôle (CR) avec $0,4 < s_{GNN} < 0,8$. Des facteurs de transfert (TF) dérivés de la simulation sont utilisés pour extrapoler le rendement QCD de la CR vers la SR.
  • W + Jets : Estimé à l'aide d'une CR contenant exactement un lepton et un jet AK8 avec $0,4 < s_{GNN} < 0,8$.
  • Z + Jets : Estimé à l'aide d'une CR contenant des événements $Z(\to \ell\ell) + \text{jets}$, en utilisant le vecteur de recul hadronique pour émuler la distribution de $p_T^{miss}$ de $Z(\to \nu\nu) + \text{jets}$.
  • Fonds subdominants : La production de quarks top et les processus de diboson sont estimés par simulation Monte Carlo.
• Analyse statistique : Un ajustement de maximum de vraisemblance par bacs (binned maximum likelihood fit) est effectué sur la distribution du $p_T^{miss}$ dans la SR. Les incertitudes systématiques, incluant celles liées à l'échelle d'énergie/résolution des jets, l'efficacité de l'étiqueteur GNN (validée via le repondage du plan de jet de Lund) et les fluctuations statistiques des facteurs de transfert, sont incorporées comme paramètres de nuisance.

Contributions clés

• Première recherche dans une topologie déplacée boostée : Ce travail présente la première recherche d'une paire de candidats de matière noire non prompta dans une topologie de Lorentz-boostée caractérisée par un jet de grand rayon et un grand $p_T^{miss}$.
• Application des GNN aux jets déplacés : L'analyse étend l'utilisation des étiqueteurs de jets basés sur les GNN, précédemment appliqués aux signatures multiprongs promptes, aux jets déplacés de grand rayon. Elle valide l'utilisation des informations de vertex secondaire au sein de la structure du graphe pour améliorer la sensibilité aux désintégrations non promptes.
• Modélisation complète du fond : L'étude emploie une approche basée sur les données pour les fonds dominants (QCD, W+jets, Z+jets) en utilisant des régions de contrôle dédiées et des facteurs de transfert, assurant une robustesse face aux incertitudes de simulation.

Résultats
Aucun excès significatif d'événements par rapport à l'attente du Modèle Standard n'est observé dans le spectre de l'impulsion transverse manquante. Des limites supérieures à un niveau de confiance (CL) de 95 % sont fixées sur la force du signal ($\mu = \sigma/\sigma_{théorie}$) en fonction de la masse du médiateur ($m_{Y_1}$) et de la force de couplage ($g_{\chi_2\chi_1Y_0}$). Les limites observées concordent avec les limites attendues à deux écarts-types près. L'analyse exclut des hypothèses de signal spécifiques correspondant à l'espace des paramètres testé, comme détaillé dans les scénarios de référence (Tableau 1) et la Figure 4.

Signification
L'article revendique sa signification en tant que recherche inaugurale de cette signature expérimentale spécifique : une paire de candidats de matière noire non prompta produite dans une topologie de Lorentz-boostée. En reconstruisant avec succès la désintégration de médiateurs légers en quatre quarks sous la forme d'un seul jet de grand rayon et en utilisant des techniques d'apprentissage automatique avancées pour identifier les sous-structures déplacées, l'analyse démontre la capacité du détecteur CMS à sonder des modèles complexes de secteur sombre impliquant des particules à longue durée de vie. Les résultats contraignent l'espace des paramètres du modèle simplifié étudié, excluant spécifiquement les régions définies par les masses de médiateurs et les forces de couplage testées.