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

Sintesi Tecnica: Ricerca della Materia Oscura in una Firma con un Jet a Quattro Prong ad Ampio Raggio

Problema e Motivazione
Sebbene la natura della materia oscura (DM) rimanga sconosciuta, le estensioni del Modello Standard (SM) spesso predicono un "settore oscuro" contenente particelle aggiuntive, potenzialmente a vita lunga. Questo articolo investiga una specifica firma di DM non prompt in cui i candidati DM sono prodotti in associazione con la radiazione iniziale di stato (ISR). Il modello del segnale postula un mediatore vettoriale o assiale-vettoriale pesante ($Y_1$) che accoppia lo SM a un settore oscuro. Questo mediatore decade in una coppia di fermioni di Dirac ($\chi_2$), che sono a vita lunga e decadono in modo non prompt in una particella di materia oscura stabile ($\chi_1$) e un bosone scalare leggero ($Y_0$). Il bosone $Y_0$ decade successivamente in una coppia di quark dello SM.

La firma caratteristica prevede la produzione di due particelle $\chi_2$ a vita lunga che decadono all'interno del rivelatore ("decadimenti spostati", displaced decays), generando attività adronica spostata accompagnata da un significativo momento trasverso mancante ($p_T^{miss}$) proveniente dalle due particelle $\chi_1$ non rilevate. A causa del grande boost di Lorentz del sistema $Y_1$ e delle piccole masse delle particelle della catena di decadimento, i quattro quark risultanti dai due decodimenti di $Y_0$ sono attesi come altamente collimati. Di conseguenza, l'analisi si concentra su eventi in cui i quattro quark sono ricostruiti come un singolo jet ad ampio raggio con una sottostruttura a quattro prong.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante il periodo 2016–2018, corrispondenti a una luminosità integrata di 138 fb$^{-1}$.

• Selezione degli Eventi: Gli eventi sono selezionati richiedendo almeno due jet ad ampio raggio (AK8) con momento trasverso $p_T > 200$ GeV e pseudorapidità $|\eta| < 2.5$. Il jet AK8 principale deve avere $p_T > 500$ GeV per garantire un'elevata efficienza di trigger. È richiesto un $p_T^{miss}$ minimo di 200 GeV per sopprimere i background dello SM privi di vera energia mancante. Gli eventi contenenti leptoni ricostruiti (elettroni, muoni o tau adronici) vengono rifiutati.
• Jet Tagging: Viene impiegato un classificatore basato su Reti Neurali a Grafo (GNN) per identificare i jet simili al segnale. La rete utilizza un'architettura di rete di interazione che costruisce un grafo dai costituenti del jet (particelle) e dalle informazioni sul vertice secondario. Questo approccio modella esplicitamente l'informazione relazionale tra le particelle, il che è cruciale per identificare le correlazioni non triviali introdotte dalle topologie spostate. La GNN è addestrata su jet di segnale simulati (che coprono varie masse del mediatore e tempi di vita) e jet di background QCD multijet.
• Definizione della Regione di Segnale (SR): La SR è definita selezionando eventi in cui il jet AK8 principale ha una massa PUPPI non colmata (ungroomed) superiore a 40 GeV e un punteggio del tagger GNN $s_{GNN} > 0.8$.
• Stima del Background:
  • QCD Multijet: Stimato utilizzando una Regione di Controllo (CR) con $0.4 < s_{GNN} < 0.8$. Fattori di trasferimento (TF) derivati dalla simulazione sono utilizzati per estrapolare la resa QCD dalla CR alla SR.
  • W + Jets: Stimato utilizzando una CR contenente esattamente un leptone e un jet AK8 con $0.4 < s_{GNN} < 0.8$.
  • Z + Jets: Stimato utilizzando una CR con eventi $Z(\to \ell\ell) + \text{jets}$, utilizzando il vettore di rinculo adronico per emulare la distribuzione del $p_T^{miss}$ di $Z(\to \nu\nu) + \text{jets}$.
  • Background Subdominanti: La produzione di quark top e i processi diboson sono stimati tramite simulazione Monte Carlo.
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di massima verosimiglianza binato sulla distribuzione del $p_T^{miss}$ nella SR. Le incertezze sistematiche, incluse quelle relative alla scala/risoluzione dell'energia del jet, all'efficienza del tagger GNN (validata tramite il riponderamento del piano del jet di Lund) e alle fluttuazioni statistiche dei fattori di trasferimento, sono incorporate come parametri di disturbo (nuisance parameters).

Contributi Chiave

• Prima Ricerca in Topologia Displaziata Boostata: Questo lavoro presenta la prima ricerca per una coppia di candidati materia oscura non prompt in una topologia Lorentz-boostata caratterizzata da un jet ad ampio raggio e grande $p_T^{miss}$.
• Applicazione delle GNN ai Jet Displazionati: L'analisi estende l'uso dei tagger di jet basati su GNN, precedentemente applicati a firme multiprong prompt, ai jet ad ampio raggio spostati. Essa valida l'uso delle informazioni sul vertice secondario all'interno della struttura del grafo per migliorare la sensibilità ai decadimenti non prompt.
• Modellazione Completa del Background: Lo studio impiega un approccio basato sui dati per i background dominanti (QCD, W+jets, Z+jets) utilizzando regioni di controllo dedicate e fattori di trasferimento, garantendo robustezza contro le incertezze della simulazione.

Risultati
Non si osserva alcun eccesso significativo di eventi rispetto all'aspettativa del Modello Standard nel spettro del momento trasverso mancante. Limiti superiori al 95% di livello di confidenza (CL) sono stabiliti sulla forza del segnale ($\mu = \sigma/\sigma_{teoria}$) in funzione della massa del mediatore ($m_{Y_1}$) e della forza di accoppiamento ($g_{\chi_2\chi_1Y_0}$). I limiti osservati concordano con i limiti attesi entro due deviazioni standard. L'analisi esclude specifiche ipotesi di segnale corrispondenti allo spazio dei parametri testato, come dettagliato negli scenari benchmark (Tabella 1) e nella Figura 4.

Significatività
Il documento rivendica significatività come la ricerca inaugurale per questa specifica firma sperimentale: una coppia di candidati materia oscura non prompt prodotti in una topologia Lorentz-boostata. Reclutando con successo il decadimento di mediatori leggeri in quattro quark come un singolo jet ad ampio raggio e utilizzando tecniche avanzate di apprendimento automatico per identificare sottostrutture spostate, l'analisi dimostra la capacità del rivelatore CMS di sondare complessi modelli del settore oscuro che coinvolgono particelle a vita lunga. I risultati vincolano lo spazio dei parametri del modello semplificato sotto indagine, escludendo specificamente le regioni definite dalle masse del mediatore e dalle forze di accoppiamento testate.