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

技術要約：ダイジェット共鳴対の共鳴的および非共鳴的生成の探索

問題と動機
本論文は、$\sqrt{s} = 13$ TeVの陽子陽子衝突における、ダイジェット共鳴の対生成の形態による標準模型を超える物理（BSM）の探索を提示する。単一のダイジェット共鳴の生成（$pp \to X \to jj$）は広く研究されてきたが、ダイジェット共鳴の対生成（$pp \to XX \to (jj)(jj)$）は、重い中間状態や特定の超対称性シナリオを伴うモデルにおいて、ユニークな発見チャネルを提供する。本解析は、少なくとも4つのジェットを含む最終状態を対象とし、以下の2つの生成モードを区別する：

1. 共鳴的生成： 質量を持つ中間粒子 $Y$ が、一対の同一のダイジェット共鳴 $X$ へと崩壊する（$pp \to Y \to XX$）。
2. 非共鳴的生成： 中間共鳴を経ることなく、ダイジェット共鳴の対 $X$ が直接生成される（$pp \to XX$）。

本探索の動機は二重にある。第一に、分解されたダイジェット手法を用いることで、高質量共鳴（$M_X > 0.5$ TeV、$M_Y > 2.0$ TeV）への到達範囲を広げ、低質量のブーストされた対を対象とした従来の探索を補完することである。第二に、以前のCMSによるダイジェット探索 [1] において観測された、4ジェット質量が8 TeV付近の共鳴的対生成の候補イベント（その解析では最適化されていなかったもの）に基づいている。

手法
解析には、2016年から2018年までにCMS検出器によって収集された、積分ルミノシティ138 fb$^{-1}$に相当するデータセットを使用する。

• イベント再構成と選択： イベントは粒子フローアルゴリズムを用いて再構成される。ジェットは距離パラメータ0.4のanti-$k_T$アルゴリズムを用いてクラスタリングされる。選択条件として、少なくとも4つのジェットがあり、$p_T > 80$ GeV かつ $|\eta| < 2.5$ であることを要求する。
• ジェット・ペアリング： 4つの主要なジェットから2つのダイジェット系を再構成するために、各ペア間の $\eta$-$\phi$ 空間の分離（$\Delta R$）の特定の尺度を最小化するアルゴリズムを用い、相関のないQCDジェットよりもペアが近接しているものを特定することを目指す。アルゴリズムは、$|\Delta R_1 - 0.8| + |\Delta R_2 - 0.8|$ を最小化するペアリングを選択する。
• 運動学的変数： 解析では、無次元変数 $\alpha = m_{jj} / m_{4j}$（ここで $m_{jj}$ は平均ダイジェット質量、$m_{4j}$ は4ジェット質量）を導入する。この変数は、直接的な $m_{4j}$ 対 $m_{jj}$ ビニングで見られる「スカルプティング（形状形成）」効果を回避し、背景事象推定のための偏りのない一次元分布を作成するためのビン分割に使用される。
• 背景事象推定： 背景事象は、データ駆動型のアプローチにより、データのみから導出される。経験的な関数形式（具体的には修正ダイジェット関数、ModDijet-3p）が、$\alpha$ のビンごとの観測された質量分布にフィットされる。適合度の良さは、擬似実験を用いて検証される。
• 信号モデル：
  • 共鳴的探索： スカラーダイクォーク $S$ が一対のベクトル様クォーク $\chi$ に崩壊し、その後 $\chi$ がクォークとグルオンに崩壊するモデル（$S \to \chi\chi \to (ug)(ug)$）をベンチマークとする。
  • 非共鳴的探索： Rパリティを破る（RPV）超対称性をベンチマークとし、具体的にはトップスクォーク（$\tilde{t}$）がダウンクォークとストレンジクォークに崩壊する対生成（$\tilde{t}\tilde{t}^* \to (ds)(ds)$）を対象とする。
• 統計解析： 限界値の設定および有意性の推定には、マルチビン計数実験のリカンドリック（尤度）が使用される。系統誤差（ジェットエネルギーのスケール、分解能、ルミノシティ、および背景事象モデリング）は、摂動パラメータ（Nuisance parameters）として扱われる。95%信頼区間（CL）の上限値を設定するために、修正頻度論的基準（$CL_s$）が使用される。

主な結果

• 共鳴的探索：

  • 4ジェット質量が8.0 TeVおよび7.9 TeV、平均ダイジェット質量が約2 TeVの分布の裾の部分で、2つのイベントが観測された。
  • これを、質量比 $\alpha_{true} = 0.25$ のベンチマーク・ダイクォークモデルにおける、質量8.6 TeVの4ジェット共鳴がダイジェット共鳴（2.1 TeV）へと崩壊する場合と解釈すると、これらのイベントは3.9 $\sigma$ の局所有意性と、ルック・エルスウェア効果（Look-Elsewhere Effect）を考慮した1.6 $\sigma$ のグローバル有意性を示す。
  • モデルに依存しない生成断面積の上限値が設定された。ベンチマークとなるダイクォークモデルにおいて、ダイクォーク質量は7.6 TeV（観測値）および7.8 TeV（期待値）未満が95% CLで除外される。
  • 幅の広い中間粒子（幅が最大10%）への拡張が行われた。8.6 TeVの超過の有意性は、幅に関わらず高い水準（3.6–3.9 $\sigma$）を維持しており、幅の広い共鳴の解釈もデータと整合している。

• 非共鳴的探索：

  • 予測された背景事象を上回る最も顕著な超過は、平均ダイジェット質量が0.95 TeVの地点で発生している。
  • これは3.6 $\sigma$ の局所有意性と、2.5 $\sigma$ のグローバル有意性をもたらす。
  • トップスクォークの質量については、0.50 TeVから0.52 TeVの間、および0.58 TeVから0.77 TeVの間が95% CLで除外される（0.52 TeVから0.58 TeVの間の小さな区間を除く）。これは、これまでの限界（0.52 TeVまでを除外していたもの）を大幅に更新している。

有意性と主張
本論文は、高質量中間状態を介したダイジェット共鳴の共鳴的対生成に関する初のLHCによる限界値を提示していると主張している。これは、CMSがこの特定のトポロジーを探索した初めての事例である。

観測された超過に関して、著者は控えめなトーンを維持している。局所的な有意性（共鳴的探索で3.9 $\sigma$、非共鳴的探索で3.6 $\sigma$）は注目に値するものの、グローバルな有意性（それぞれ1.6 $\sigma$ および 2.5 $\sigma$）は発見を主張するには不十分である。論文では、「これらのイベントが信号の最初の兆候であるかどうかを確定するには、さらなるデータが必要である」と明記されている。結果は、新物理の決定的な発見としてではなく、特定のBSMモデル（ダイクォークおよびRPV SUSY）に対する制約、および4ジェット最終状態が高質量共鳴に対して持つ感度の実証として提示されている。論文は、観測されたイベントは、より高いルミノシティと衝突エネルギーを用いたさらなる調査に値する興味深い候補であると結論付けている。