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

技術要約：広幅な媒介粒子を介したダイジェット共鳴対の共鳴生成の探索

問題と動機
本論文は、CMSコラボレーションによる$\sqrt{s} = 13$ TeVの陽子・陽子衝突データを用いた、先行する狭幅共鳴の探索の再解釈を提示するものである。従来の探索は狭幅な媒介粒子（自然幅が質量の$0.5\%$未満）に焦点を当てていたが、本解析では広幅な媒介粒子を介したダイジェット共鳴の共鳴生成を調査している。動機は、データ内で観察された特定のイベントが、以前は潜在的な狭幅共鳴の候補として解釈されていたものの、広幅共鳴仮説とも矛盾しない可能性があることに由来する。

具体的には、本解析は、4つの分解されたジェットを持つイベント（$pp \to Y \to XX \to (jj)(jj)$）を対象としている。ここで、$Y$は2つの同一なダイジェット共鳴$X$へと崩壊する質量を持つ中間粒子である。本研究は、$Y$の自然幅が実験分解能と同等またはそれ以上（広幅共鳴）であり、かつ$X$は狭幅であるシナリオに焦点を当てている。この再解釈は、3つの候補イベントの観察によって駆動されている。すなわち、4ジェット質量（$m_{4j}$）が8 TeVで平均ダイジェット質量（$m_{2j}$）が2 TeVである2つのイベントと、$m_{4j} = 5.8$ TeVおよび$m_{2j} = 2.0$ TeVである3番目のイベントである。前者の2つのイベントは狭幅共鳴探索における有意性を高めていたが、後者のイベントは狭幅共鳴への適合にはほとんど寄与しないものの、広幅共鳴の解釈とは顕著に整合している。さらに、ATLASによって報告されたイベント（$m_{4j} = 6.6$ TeV、$m_{2j} = 2.2$ TeV）も、広幅共鳴仮説の68%確率等高線内に位置している。

手法
本解析は、CMS実験によって収集された積分ルミノシティ138 fb$^{-1}$のデータセットを利用している。手法は、広幅な媒介粒子を含めるために信号シミュレーションを修正することにより、先行する狭幅共鳴探索（文献[1]）を拡張したものである。

• 信号モデル: ベンチマークモデルは、カラー・シクセット（6重項）のダイクォーク（$S_{uu}$または$S_{dd}$）が生成され、それが2つのベクトル様クォーク（$\chi$または$\omega$）へと崩壊し、その後それぞれがクォークとグルオンへと崩壊するというモデルである。ダイクォーク質量（$M_S$）は2から10 TeVの範囲であり、ダイクォーク幅（$\Gamma/M_S$）は1.5%、5%、および10%の間で変化させる。ベクトル様クォーク質量（$M_X$）は、比率$\alpha_{true} = M_X/M_S$によって定義される。
• イベント選択: イベントは、ダイジェット不変質量$m_{2j} > 0.2$ TeVおよび4ジェット不変質量$m_{4j} > 1.6$ TeVを持つ4つの分解されたジェットを持つ必要がある。本解析では、データを比率$\alpha = m_{2j}/m_{4j}$（13ビン）でビン分割し、これらのビンにわたって同時フィットを行う。
• 背景事象推定: 背景事象は、大きな理論的不確定性を伴う摂動論的QCDシミュレーションに依存することを避け、観測されたデータに直接フィットさせた経験的なパラメトリック関数を用いてモデル化される。背景形状に関する系統誤差は、2つの代替関数形式を用いた離散プロファイリング法を用いて推定される。主要な背景関数は、3つのパラメータを持つ修正されたダイジェット関数である。
• 統計解析: 信号＋背景モデルをデータにフィットするために、マルチビン計数実験ライクリフッドが使用される。生成断面積の上限は、修正頻度論的基準（$CL_s$）を用い、95%信頼区間（CL）で設定される。局所およびグローバル有意性は、共鳴質量と$\alpha_{true}$の2次元平面におけるルック・エルスウェア効果を考慮して計算される。

主な貢献

• 広幅共鳴の再解釈: 本論文は、広幅な媒介粒子に特化したCMSダイジェット対探索の包括的な再解釈を初めて提供しており、幅が1.5%、5%、および10%の場合の信号形状が、狭幅共鳴と比較して運動学的分布を著しく変化させることを示している。
• 3番目の候補イベントの包含: 本解析は、$m_{4j} = 5.8$ TeVのイベントを明示的に含めており、このイベントが狭幅共鳴の適合には最小限の影響しか与えない一方で、広幅共鳴モデルによって良好に記述されることを示し、過剰（excess）の広幅媒介粒子解釈の正当性を強化している。
• モデルに依存しない制限: 本研究は、4ジェット共鳴質量および幅の関数として、生成断面積、分岐比、および受容率の積（$\sigma \mathcal{B} \mathcal{A}$）に対するモデルに依存しない95% CL上限値を確立している。

結果

• 8.6 TeVの過剰の有意性: 4ジェット共鳴質量が8.6 TeVの場合、局所有意性は異なる幅にわたって高い水準を維持している。それは1.5%の幅で3.9標準偏差（$\sigma$）、10%の幅で3.6$\sigma$である。グローバル有意性は、1.5%の幅で1.6$\sigma$、10%の幅で1.4$\sigma$である。著者は、有意性が幅の選択に対して比較的鈍感であることを指摘しており、これは広幅な媒介粒子が狭幅なものと同様に、過剰の有効な解釈であることを示している。
• 3.6 TeVにおける第2の過剰: 第2の過剰は、$\alpha_{true} = 0.29$において、4ジェット共鳴質量3.6 TeVで観察される。10%の幅の場合、この過剰の局所有意性は3.9$\sigma$であり、グローバル有意性は2.2$\sigma$である。この過剰の有意性は、共鳴幅とともに増加する。
• 除外限界: 本解析は、スカラーダイクォークモデルに対する除外限界を設定している。幅が10%の場合、$S_{uu}$ダイクォークモデルは8.8 TeVまでの質量が除外され、$S_{dd}$モデルは7.3 TeVまで除外される（$\alpha_{true} = 0.25$の場合）。注目すべきは、8.6 TeVの共鳴かつ10%の幅において、$S_{uu}$モデルは除外されるが、$S_{dd}$モデルは観察されたイベントに対する有効な仮説として残る点である。

意義と主張
本論文は、データの再解釈が広幅共鳴の仮説を支持していると主張している。局所有意性が共鳴幅に対して比較的鈍感であること（最も広幅な場合でも3.6$\sigma$を上回る）は、広幅な媒介粒子が観察された過剰の妥当な説明であることを示唆している。さらに、狭幅共鳴では自然に扱えないが広幅共鳴仮説では自然に受け入れられる5.8 TeVのイベントの存在は、この解釈を裏付ける重要な証拠となっている。著者は、データは広幅共鳴仮説を否定しておらず、観察されたイベントに対して狭幅共鳴仮説と同様に有効な記述を提供するものであると結論付けている。結果は、新しい物理の発見を主張することなく、特定のベンチマークモデルに対する制限および有意性として提示されている。