Search for soft unclustered energy patterns in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV using data scouting

Sintesi Tecnica: Ricerca di Pattern di Energia Morbida Non Clusterizzata in Collisioni Protone-Protone a $\sqrt{s} = 13$ TeV Utilizzando lo Scouting dei Dati

Problema
I modelli a "Hidden-Valley", caratterizzati da un settore oscuro (DS) fortemente accoppiato, offrono un quadro convincente per la fisica oltre il Modello Standard (SM), affrontando potenzialmente il problema della gerarchia e fornendo candidati per la materia oscura. Una specifica firma predetta da questi modelli, in particolare quelli con un grande accoppiamento di 't Hooft ($\lambda \gg 1$), è il SUEP (Soft Unclustered Energy Pattern). I SUEP si manifestano come eventi ad alta molteplicità con particelle cariche distribuite diffusamente e a basso impulso, che sono isotropi nel sistema di riferimento del centro di massa.

La principale sfida sperimentale nella rilevazione dei SUEP al Large Hadron Collider (LHC) è la loro somiglianza cinematica con i background del Modello Standard (SM), specificamente gli eventi multijet della cromodinamica quantistica (QCD). Le strategie di trigger standard, che si basano su soglie di impulso trasverso ($p_T$) elevate per gestire i tassi di dati, spesso non riescono a catturare gli eventi SUEP perché le particelle costituenti sono "soft" (a bassa energia) e non clusterizzate. Le ricerche precedenti che utilizzavano la ricostruzione offline completa richiedevano somme scalari elevate di impulsi trasversi dei jet ($H_T > 1$ TeV), risultando in una significativa perdita di segnale per modelli con masse dei mediatori inferiori o specifici parametri di temperatura.

Metodologia
Questa analisi impiega la strategia di "data scouting" dell'esperimento CMS per abbassare la soglia di trigger per l'attività adronica pur mantenendo un tasso di dati gestibile.

• Strategia di Data Scouting: Invece di registrare i dati grezzi dell'evento, l'High-Level Trigger (HLT) registra solo gli oggetti ricostruiti (candidati Particle-Flow, jet e vertici primari). Ciò riduce la dimensione dell'evento di un fattore $\approx 100$, permettendo di abbassare la soglia del trigger $H_T$ da 1 TeV (utilizzato nelle precedenti ricerche offline) a 410 GeV. Ciò aumenta significativamente l'accettanza per i segnali SUEP, in particolare per modelli con temperature ($T_D$) e masse dei meso-oscuri ($m_\phi$) $\lesssim 2$ GeV.
• Dataset: La ricerca utilizza i dati di collisioni protone-protone raccolti a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante il periodo 2016–2018, corrispondenti a una luminosità integrata di 127 fb$^{-1}$.
• Modello di Segnale: L'analisi mira alla produzione di un mediatore scalare pesante ($S$) tramite fusione gluone-gluone (ggF), che decade in un SUEP. Lo showering del settore oscuro è modellato utilizzando una distribuzione di Boltzmann relativistica caratterizzata da una massa del meso-oscuro ($m_\phi$) e una temperatura ($T_D$). I meso-oscuri decadono in fotoni oscuri ($A'$), che successivamente decadono in particelle SM ($e^+e^-$, $\mu^+\mu^-$ o $\pi^+\pi^-$).
• Selezione degli Eventi:
  • Gli eventi devono superare un trigger ad alta $H_T$ (soglia 410 GeV) e una preselezione che richiede $H_T > 560$ GeV basata su jet anti-$k_T$ ($R=0.4$).
  • Vengono ricostruiti due jet a grande raggio ($R=1.5$, AK15). Il jet con la maggiore molteplicità di costituenti viene identificato come il candidato SUEP, che si muove in controvento rispetto al sistema di radiazione di stato iniziale (ISR).
  • Per recuperare la forma dell'evento isotropa, i costituenti del candidato SUEP vengono boostati nel sistema di riferimento del jet. Viene calcolata la sfericità generalizzata ($S_{\text{boosted}}$).
  • Le regioni di segnale (SR) sono definite richiedendo un numero di costituenti ($n_{\text{constituent}}$) $> 50$ e $S_{\text{boosted}} > 0.5$.
• Stima del Background: Il background dominante (multijet QCD) è stimato utilizzando un metodo ABCD esteso. Lo spazio delle fasi è partizionato in una griglia $3 \times 3$ basata su due variabili non correlate: $n_{\text{constituent}}$ e $S_{\text{boosted}}$. Questo approccio migliora il trattamento delle correlazioni di ordine superiore tra queste variabili rispetto ai metodi ABCD standard. Un fattore di correzione ($c_{\text{bin}}$) viene derivato dalle regioni di controllo per tenere conto delle deviazioni di forma nella regione di segnale.
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di massima verosimiglianza binato sulla distribuzione di $n_{\text{constituent}}$ attraverso le regioni di controllo e di segnale, trattando separatamente gli anni di acquisizione dati. Le incertezze sistematiche, incluse l'efficienza di tracking (fino al 50% per i bin ad alta molteplicità) e la luminosità, sono incorporate.

Contributi Chiave

1. Abbassamento delle Soglie di Trigger: Utilizzando lo scouting dei dati, l'analisi riesce con successo ad abbassare la soglia $H_T$ a 410 GeV, estendendo la sensibilità ai modelli SUEP che erano precedentemente inaccessibili a causa delle inefficienze del trigger.
2. Metodo ABCD Esteso: L'implementazione di una griglia $3 \times 3$ nel metodo ABCD consente una stima più robusta dei background QCD in presenza di correlazioni tra molteplicità dell'evento e sfericità.
3. Scansione Comprensiva dei Parametri: La ricerca copre un ampio intervallo di masse dei mediatori ($m_S$ da 125 GeV a 2 TeV), masse dei meso-oscuri ($m_\phi$ da 1 a 8 GeV) e temperature ($T_D$), inclusi scenari con decadimenti di fotoni oscuri leptoni o adronici.

Risultati

• Osservazione: I dati osservati nella regione di segnale sono coerenti con la previsione del background del Modello Standard. Non si osserva alcun eccesso significativo di eventi.
• Limiti: L'analisi stabilisce i limiti più stringenti ad oggi sulla sezione d'urto di produzione di mediatori scalari pesanti che decadono in segnali di tipo SUEP.
  • Per masse dei mediatori $m_S$ tra 125 GeV e 2 TeV, i limiti osservati migliorano rispetto alle precedenti ricerche di ricostruzione offline fino a un ordine di grandezza nella maggior parte dello spazio dei parametri.
  • I limiti di esclusione sono presentati nel piano $(T_D, m_\phi)$ per vari valori di $m_S$. La regione al di sotto delle curve di esclusione è esclusa per i modelli di segnale testati.
  • La sensibilità è ridotta per i segnali con $n_{\text{constituent}}$ molto basso a causa della minore efficienza di tracking inerente al trigger di scouting rispetto alla ricostruzione offline.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento afferma che questa ricerca rappresenta la sonda più sensibile ad oggi per le firme SUEP derivanti da modelli Hidden-Valley con grandi accoppiamenti di 't Hooft. Sfruttando lo stream di data scouting, la collaborazione CMS ha avuto successo nel mitigare il bias del trigger contro gli stati finali soft ad alta molteplicità. I risultati forniscono vincoli robusti su modelli semplificati di showering del settore oscuro, escludendo ampie porzioni dello spazio dei parametri per mediatori scalari con masse sopra i 125 GeV e temperature e masse del settore oscuro nell'ordine di pochi GeV. L'analisi dimostra l'efficacia delle strategie di data scouting nel rivelare firme non convenzionali che rimarrebbero altrimenti nascoste dietro le soglie standard dei trigger.