Search for long-lived particles decaying into muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV using data scouting

Sintesi Tecnica: Ricerca di particelle a lunga vita che decadono in muoni in collisioni protone-protone a $\sqrt{s} = 13,6$ TeV utilizzando il Data Scouting

Problema e Motivazione
L'origine della materia oscura rimane uno dei principali problemi irrisolti della fisica delle particelle, motivando la ricerca di un settore nascosto (dark) che interagisce debolmente con le particelle del Modello Standard (SM). Questo articolo affronta la ricerca di particelle a lunga vita (LLP) all'interno di diversi framework oltre il Modello Standard (BSM), mirando specificamente a scenari in cui il bosone di Higgs decade in particelle del settore oscuro o in cui scalari a lunga vita derivano dai decadimenti degli adroni $b$. I modelli chiave includono l'Hidden Abelian Higgs Model (HAHM), dove l'Higgs decade in coppie di fotoni oscuri a lunga vita ($Z_D$); modelli di dark-shower che coinvolgono gruppi di gauge oscuri confinanti che producono "dark shower" di pioni e fotoni oscuri; e estensioni minime che coinvolgono uno scalare singoletto ($\phi$) che si mescola con l'Higgs.

Una sfida significativa nella rilevazione di queste firme, in particolare per risonanze a bassa massa ($m < 10$ GeV) con lunghezze di decadimento macroscopiche, è il limite imposto dagli standard di trigger. I trigger standard richiedono tipicamente particelle con alto momento trasverso ($p_T$), rendendo inaccessibili le coppie di muoni spostate di bassa massa. Inoltre, analisi precedenti che utilizzavano il CMS data scouting (uno stream di trigger ad alta frequenza che conserva informazioni ridotte) erano limitate a spostamenti di decadimento ($l_{xy}$) inferiori a 11 cm a causa dei requisiti di molteplicità degli hit del pixel.

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dall'esperimento CMS a $\sqrt{s} = 13,6$ TeV durante il 2022 e il 2023, corrispondenti a una luminosità integrata di 62,4 fb$^{-1}$.

• Strategia di Trigger: La ricerca impiega uno stream di trigger dimuon dedicato al "data scouting". Questo stream conserva solo informazioni ridotte (momenti quattro-vettoriali, conteggi degli hit e dettagli delle tracce) al livello del High-Level Trigger (HLT), consentendo una selezione ad alta frequenza di eventi con soglie di momento trasverso ($p_T$) basse ($p_T \gtrsim 3-4$ GeV). Fondamentalmente, gli aggiornamenti ai trigger di scouting nel 2022 hanno rimosso il requisito di molteplicità degli hit del pixel, permettendo la ricostruzione di coppie di muoni con spostamenti di decadimento fino a 70 cm ($l_{xy} > 11$ cm), uno spazio delle fasi precedentemente inaccessibile alle analisi di scouting di CMS.
• Selezione degli Eventi: Gli eventi sono selezionati sulla base della presenza di almeno una coppia di almeno un paio di muoni con carica opposta (OS) associata a un vertice secondario (SV). I criteri di selezione includono:
  • Spostamento del SV $l_{xy} < 70$ cm.
  • Qualità del fit del vertice ($\chi^2/\text{dof} < 3$) e incertezze delle coordinate.
  • Soppressione delle interazioni con la materia escludendo i SV all'interno dei moduli del tracker.
  • Requisiti topologici che assicurano che il vettore momento dimuonico sia collinear con il vettore SV (pointing) per rigettare i background combinatori casuali.
  • Criteri di isolamento e significatività del parametro di impatto ($|d_{xy}|/\sigma_{d_{xy}} > 2$) per distinguere i muoni spostati dai background prompt.
  • Gestione specifica degli "hit in eccesso" ($N_{\mu\mu}^{\text{excess}}$) per rigettare i muoni prompt che formano accidentalmente un vertice spostato.
• Categorizzazione: Gli eventi selezionati sono categorizzati in:
  1. Eventi dimuonici: Singole coppie di muoni OS, ulteriormente suddivise per $l_{xy}$ (8 bin da 0 a 70 cm), topologia pointing vs. non-pointing, stato di isolamento e $p_T^{\mu\mu}$ (< 25 GeV vs. > 25 GeV).
  2. Eventi a quattro muoni: Eventi con due coppie di muoni OS, categorizzati come "multivertex" (SVs spazialmente risolti) o "overlapping vertex" (SVs che si sovrappongono entro le incertezze).
• Modellazione del Background: Il background dello Standard Model è stimato direttamente dai dati utilizzando funzioni analitiche lisce (polinomi di Bernstein, leggi di potenza, esponenziali) applicate ai segmenti di spettro di massa invariante multimuonica. Le risonanze note dello SM (ad es. $J/\psi$, $\Upsilon$) vengono mascherate.
• Interpretazione del Segnale: I campioni di Monte Carlo (MC) del segnale sono generati per HAHM ($H \to Z_D Z_D$), scenari di dark-shower (Scenari A e B1) e decadimenti di $b$-adroni ($h_b \to \phi X$). I limiti superiori sulle branching fraction sono stabiliti utilizzando un rapporto di verosimiglianza del profilo con il criterio CL$_s$.

Contributi Chiave

1. Spazio delle Fasi Esteso: L'analisi estende significativamente lo spazio delle fasi accessibile per le ricerche di muoni spostati utilizzando aggiornati trigger di scouting per sondare lunghezze di decadimento fino a 70 cm, superando il limite di 11 cm delle analisi di scouting precedenti.
2. Sensibilità a Bassa Massa: Impiegando soglie di $p_T$ basse, la ricerca mira a risonanze strette con masse al di sotto di 10 GeV, una regione spesso esclusa dai trigger standard ad alto $p_T$.
3. Categorizzazione Esaustiva: L'inclusione di topologie a quattro muoni (sia vertici risolti che sovrapposti) e la dettagliata suddivisione degli eventi dimuonici per spostamento e isolamento permettono la sensibilità a una vasta gamma di meccanismi di produzione e decadimento BSM.
4. Background basato sui Dati: L'affidamento alla modellazione del background basata sui dati garantisce robustezza contro le incertezze di simulazione nel regime di bassa massa e alta molteplicità.

Risultati
Non è stato osservato alcun eccesso significativo di eventi sopra la previsione dello Standard Model negli spettri di massa invariante dimuonica o a quattro muoni in tutte le categorie analizzate. Di conseguenza, sono stati stabiliti limiti superiori al livello di confidenza del 95% sulle branching fraction per i modelli BSM considerati:

• Hidden Abelian Higgs Model: I limiti sulla $\mathcal{B}(H \to Z_D Z_D)$ sono stati stabiliti per masse di fotoni oscuri ($m_{Z_D}$) compresi tra 0,5 e 50 GeV e lunghezze di decadimento propri ($c\tau_{Z_D}^0$) di 0,1, 1, 10 e 100 cm. I risultati migliorano i vincoli precedenti, in particolare per $m_{Z_D} < 5$ GeV e $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ cm.
• Modelli di Dark-Shower: Limiti superiori su $\mathcal{B}(H \to \Psi\Psi)$ sono stati stabiliti per gli Scenari A e B1. L'analisi estende l'intervallo escluso delle lunghezze di decadimento propri per i fotoni oscuri ($A'$) e i pioni oscuri ($\tilde{\pi}_3$) da 10 cm fino a 100 cm, superando i limiti precedenti.
• Scalare a Lunga Vita da $b$-Adrone: Limiti sul prodotto $\mathcal{B}(h_b \to \phi X)\mathcal{B}(\phi \to \mu\mu)$ sono stati stabiliti per masse di scalari $m_\phi$ fino a 4 GeV e tempi di vita di 0,1, 1 e 10 cm. Questi vincoli sono comparabili ai risultati precedenti, con il miglioramento dell'efficienza del trigger che compensa il dataset più piccolo rispetto alle corse precedenti.

Significatività
L'articolo afferma che i vincoli risultanti rappresentano i limiti più stringenti ad oggi per una vasta gamma di parametri nel modello Hidden Abelian Higgs (specificamente per $m_{Z_D} < 5$ GeV e $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ cm) e per i modelli di dark-shower (per lunghezze di decadimento propri $> 10$ cm). Il lavoro dimostra l'efficacia della tecnica di data scouting nell'esplorare i "blind spots" dell'accettanza del rivelatore, ovvero particelle a bassa massa e a lunga vita che sono inaccessibili agli stream di trigger standard. Estendendo la portata a maggiori lunghezze di decadimento e masse inferiori, l'analisi restringe significativamente lo spazio dei parametri vitale per queste specifiche ipotesi BSM.