⚛️ high-energy experiments

Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances with b jets in the final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 136 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV, la collaboration CMS présente la première recherche de production de paires résonnantes et non résonnantes de résonances de dijets se désintégrant en quarks b et de saveur légère, établissant des limites d'exclusion sur les top squarks et les modèles de diquarks tout en observant des excès locaux avec des significations allant jusqu'à 2,6 écarts-types.

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-09-21

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS 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

L'univers est construit sur un ensemble de règles connues sous le nom de Modèle Standard, un cadre qui décrit avec succès les particules fondamentales et les forces qui composent tout ce que nous voyons. Pourtant, les physiciens savent que cette image est incomplète. Elle ne peut expliquer la gravité, la nature de la matière noire, ou pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans le cosmos. Pour trouver les pièces manquantes, les scientifiques du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) font s'entrechoquer des protons à une vitesse proche de celle de la lumière, créant une pluie de nouvelles particules qui pourraient révéler une couche cachée de la réalité. Parmi les théories les plus prometteuses figurent celles prédisant l'existence de particules lourdes et instables qui se désintègrent en jets de matière ordinaire. Alors que les scientifiques recherchent depuis longtemps la fragmentation de particules lourdes uniques, un scénario plus complexe implique la création de paires de ces particules lourdes, qui se désintègrent ensuite en encore plus de débris. Cette recherche spécifique traque une signature rare : deux paires de jets de particules, où chaque paire contient un quark de fond (bottom) lourd, un type de matière plus pesant et plus rare que les protons et les neutrons communs de notre monde quotidien.

Dans une étude récente, la Collaboration CMS au CERN a examiné une vaste collection de données de collision pour traquer ces paires évasives. Ils ont analysé 138 unités de données, connues sous le nom de femtobarns, recueillies lors de collisions proton-proton à une énergie de 13 téra-électronvolts. L'équipe recherchait deux possibilités distinctes. La première était un processus non résonnant, où deux particules lourdes sont créées indépendamment et simultanément, chacune se désintégrant en un quark de fond et un quark plus léger. La seconde possibilité impliquait un processus résonnant, où une particule parente unique, encore plus lourde, est créée d'abord, puis se divise en les deux particules intermédiaires avant qu'elles ne se désintègrent davantage. Dans les deux scénarios, le résultat final est de quatre jets d'énergie distincts, dont deux proviennent de quarks de fond. Les chercheurs ont utilisé des algorithmes sophistiqués pour identifier ces quarks de fond et pour reconstruire la masse des particules originales à partir de l'énergie des jets résultants.

L'analyse s'est concentrée sur la recherche d'une « bosse » ou d'un excès localisé dans les données qui se détacherait du bruit de fond lisse et prévisible des collisions de particules ordinaires. Le bruit de fond est immense, généré par la production constante de jets lors d'interactions quantiques standards, mais les chercheurs ont développé une méthode pour modéliser ce bruit de fond directement à partir des données elles-mêmes, plutôt que de s'appuyer uniquement sur des prédictions théoriques. Ils ont classé les événements en fonction du rapport entre la masse des deux paires de jets et la masse totale des quatre jets, une technique qui a aidé à séparer les signaux potentiels du bruit de fond écrasant. Après avoir passé les données au crible, l'équipe n'a trouvé aucune preuve définitive de nouvelles particules. Les résultats n'ont pas montré de pic clair et statistiquement significatif qui confirmerait l'existence des résonances lourdes prédites.

Cependant, l'absence de découverte a permis aux scientifiques d'établir des limites strictes sur ce qui pourrait exister. Ils ont déterminé que si certains types de particules lourdes, spécifiquement celles prédites par un modèle impliquant la violation d'une symétrie appelée R-parité, existent, elles doivent être plus lourdes que 0,8 téra-électronvolt. Cette découverte élimine de fait l'existence de ces particules dans la gamme de masses inférieure que les expériences précédentes n'avaient pas encore pleinement explorée. De même, pour la recherche résonnante impliquant des particules diquarks lourdes, les données ont exclu les masses comprises entre 2 et 7 téra-électronvolts. Ces limites sont les premières du genre pour ce type spécifique de désintégration de particules impliquant des quarks de fond, repoussant la frontière de ce qui est connu concernant la masse possible de la nouvelle physique.

Bien que la recherche principale soit restée infructueuse, les données contenaient quelques fluctuations intrigantes. Dans la recherche de production non résonnante, la déviation la plus notable par rapport au bruit de fond attendu est apparue à une masse de 1,0 téra-électronvolt, avec une signification statistique de 2,1 écarts-types. Dans la recherche résonnante, une fluctuation légèrement plus grande a été observée à une masse de quatre jets de 3,1 téra-électronvolts, correspondant à une signification de 2,6 écarts-types. Dans le langage de la physique des particules, ces chiffres indiquent que bien que les données aient semblé légèrement différentes de la prédiction du bruit de fond à ces points précis, l'effet n'est pas assez fort pour être considéré comme une découverte. De telles fluctuations se produisent occasionnellement en raison de variations statistiques aléatoires, et les chercheurs soulignent qu'elles ne constituent pas une preuve de nouvelles particules.

L'étude a également mis en évidence un événement spécifique présentant l'énergie la plus élevée enregistrée dans l'ensemble de données, où les quatre jets se sont combinés à une masse de 5,5 téra-électronvolts. Cet événement unique, survenu en 2018, contenait deux paires de jets presque identiques en masse et alignées d'une manière qui correspondait aux attentes théoriques du signal. Malgré son apparence frappante, cet événement n'a pas suffi à renverser la conclusion globale, car le reste des données ne soutenait pas un signal cohérent à ce niveau d'énergie. Les chercheurs ont noté que cet événement apparaissait dans la queue de distribution de haute masse, une région où les fluctuations statistiques sont plus probables.

En fin de compte, ce travail représente une étape importante dans la recherche de la physique au-delà du Modèle Standard. En étendant la recherche pour inclure les quarks de fond et en couvrant une large gamme de masses, la collaboration a fermé la porte à plusieurs possibilités théoriques qui étaient auparavant ouvertes. Les résultats fournissent une carte plus claire du paysage énergétique, indiquant aux scientifiques où les nouvelles particules ne se trouvent pas, ce qui est tout aussi précieux que de trouver où elles pourraient être. La recherche continue, avec le Grand Collisionneur de Hadrons collectant davantage de données, mais pour l'instant, l'univers reste silencieux sur l'existence de ces paires de particules lourdes spécifiques.

Résumé technique : Recherche de la production résonante et non résonante de paires de résonances de dijets avec des jets b

Problème et motivation
Cet article présente une recherche de nouveaux phénomènes physiques impliquant la production par paire de résonances de dijets ( $X$ ) dans les collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV. Alors que les recherches standards pour les résonances de dijets uniques sont bien établies, la production de paires de telles résonances (produisant quatre jets résolus dans l'état final) représente un processus plus complexe prédit par diverses théories au-delà du Modèle Standard (BSM). Plus précisément, cette analyse cible des scénarios où chaque résonance de dijet se décompose en un quark bottom ( $b$ ) et un quark de saveur légère, résultant en un état final de deux jets $b$ et deux jets légers ( $pp \to XX \to (bj)(bj)$ ).

La motivation de se concentrer sur l'état final des jets $b$ provient de recherches CMS précédentes qui n'utilisaient pas le marquage de saveur (flavor tagging). Ces recherches non marquées ont observé des excès locaux avec des significances de 3,6 à 3,9 écarts-types (s.d.) dans des régions de masse spécifiques (par exemple, une résonance de dijet de 0,95 TeV dans la production non résonante et une résonance de quatre jets de 3,6 TeV dans la production résonante). Cette analyse étend ces investigations en incorporant le marquage $b$ pour tester les scénarios à saveur lourde, tels que la supersymétrie à rupture de R-parité (RPV) et les modèles de diquarks, qui prédisent de telles topologies de désintégration.

Méthodologie
L'analyse utilise un ensemble de données correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb $^{-1}$ , collecté par le détecteur CMS. La recherche est divisée en deux scénarios physiques distincts :

Production non résonante : La production directe de résonances de dijets de spin 0 ( $X$ ), modélisée via la supersymétrie RPV où les top squarks ( $\tilde{t}$ ) se désintègrent en quarks $b$ et $s$ .
Production résonante : La production d'une résonance intermédiaire lourde ( $Y$ ) qui se désintègre en une paire de résonances de dijets ( $Y \to XX$ ), modélisée via un scénario de diquark-vers-diquarks (D2D) où un diquark scalaire lourd ( $S_{uu}$ ) se désintègre en deux diquarks scalaires plus légers ( $S_{2/3}$ ).

Sélection et reconstruction des événements :

Déclencheurs et jets : Les événements sont sélectionnés à l'aide de déclencheurs à haute $H_T$ . L'analyse hors ligne reconstruit les jets en utilisant l'algorithme anti- $k_T$ avec un paramètre de distance de 0,4. Les quatre jets les plus avancés doivent avoir un $p_T > 80$ GeV et $|\eta| < 2,4$ (ou 2,5 selon l'année de prise de données).
Appariement : Les quatre jets sont appariés en deux systèmes de dijets pour minimiser la séparation $\Delta R$ , optimisant ainsi la reconstruction de la masse de la résonance.
Marquage de saveur : L'algorithme DEEPJET est employé pour identifier les jets $b$ . L'analyse exige au moins un jet $b$ dans chacun des deux systèmes de dijets, en utilisant un point de fonctionnement « medium » avec une efficacité d'environ 75 % et un taux de méprise des saveurs légères d'environ 1 %.
Variables cinématiques : La recherche est effectuée dans le plan de la masse invariante des quatre jets ( $m_{4j}$ ) et de la masse moyenne des dijets ( $m_{2j}$ ). Pour atténuer les corrélations entre ces variables, l'analyse compartimente les données dans le rapport adimensionnel $\alpha = m_{2j}/m_{4j}$ .
Estimation du bruit de fond : Le bruit de fond dominant (production de jets multijets QCD) est estimé directement à partir des données en utilisant un ajustement (fit) de type « uniquement bruit de fond ». Des formes fonctionnelles empiriques (Dijet-3p, ModDijet-3p, PowExp-3p) sont ajustées aux spectres de $m_{2j}$ (non résonant) et $m_{4j}$ (résonant). Le choix de la forme fonctionnelle est traité comme une incertitude systématique via la méthode du profilage discret.

Contributions clés et résultats
Ce travail représente la première recherche au LHC pour la production résonante de paires de résonances de dijets entièrement résolues avec des jets $b$ dans l'état final, où toutes les résonances correspondent à des états non issus du Modèle Standard.

Recherche non résonante :
- L'excès le plus significatif se produit à une masse de dijet moyenne de 1,0 TeV avec une signification locale de 2,1 s.d.
- Les limites supérieures au niveau de confiance (CL) de 95 % excluent les top squarks avec des masses comprises entre 0,5 et 0,8 TeV (observé) et 0,5 à 0,8 TeV (attendu) dans le contexte des désintégrations RPV en quarks $b$ et $s$ . Cela étend les limites de masse précédentes qui étaient d'environ 0,5 TeV.
Recherche résonante :
- L'excès le plus significatif est observé à une masse de résonance de quatre jets de 3,1 TeV et une masse de dijet de 1,3 TeV, avec une signification locale de 2,6 s.d. Cela correspond à l'hypothèse $\alpha_{true} = 0,42$ .
- Les limites supérieures excluent les masses de diquarks lourds ( $S_{uu}$ ) entre 2 et 7 TeV pour diverses raisons de masse des diquarks filles ( $S_{2/3}$ ). Ce sont les premières limites établies sur le modèle D2D.
Incertitudes systématiques : L'analyse prend en compte les incertitudes de l'échelle d'énergie des jets, de la résolution, de la luminosité intégrée et de l'efficacité du marquage $b$ . L'incertitude de modélisation du bruit de fond, particulièrement le choix de la fonction empirique, est un facteur systématique dominant aux masses plus basses, tandis que les incertitudes statistiques dominent aux masses plus élevées.

Signification
Le papier revendique sa signification principalement par l'extension de la frontière de recherche vers les états finaux à saveur lourde pour les paires de résonances de dijets produites. En appliquant le marquage $b$ , l'analyse fournit des contraintes complémentaires aux recherches antérieures non marquées, testant spécifiquement les modèles BSM qui prédisent des désintégrations à saveur lourde. Bien qu'aucun indice statistiquement significatif de nouvelles résonances n'ait été trouvé (tous les excès restant en dessous du seuil de découverte de 3 s.d.), les résultats fournissent les premières limites d'exclusion pour la production par paire de dijets résonants avec des jets $b$ et améliorent considérablement les limites d'exclusion pour la production non résonante de top squarks RPV. L'analyse sert également à investiguer les excès spécifiques observés dans les recherches non marquées précédentes dans le contexte des scénarios à saveur lourde, ne trouvant aucune confirmation de ces excès dans le canal marqué $b$ .

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