Search for emerging jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS experiment

技術要約：ATLAS実験による$\sqrt{s}=13$ TeVの$pp$衝突におけるエマージング・ジェットの探索

問題と動機
ダークマター（DM）に関する広範な証拠があるにもかかわらず、その粒子の性質は未知のままです。理論モデルは、量子色力学（QCD）に類似した閉じ込めを持つゲージ群、しばしば「ダークQCD」と呼ばれる、ダークセクター（DS）を提唱しています。このようなモデルでは、ダーククォーク（$Q_d$）がダークハドロン（ダーク・パイ中間子、$\pi_d$）やダークバリオンへとハドロン化します。安定なダークバリオンはダークマターを構成し得る一方で、不安定なダーク・パイ中間子は重いスカラー媒介粒子（$\phi$）を介して標準模型（SM）粒子へと崩壊する可能性があります。ダーク・パイ中間子の寿命に応じて、これらの崩壊は、プロンプトなダーク・ジェット、セミビジブル・ジェット（欠損横エネルギーを含む）、または「エマージング・ジェット（EJ）」といった明確なシグネチャを生じさせます。EJは、単一のジェット・コーン内に含まれる、多数の長寿命なダーク・ハドロンによる高い多重度を特徴とします。本論文は、プロンプトまたはセミビジブル・ジェットの先行研究では十分にカバーされていないシナリオである、スカラー媒介子のペア生成から生じるEJの探索を提示します。

手法
本解析では、2015年から2018年（Run 2）の間にATLAS検出器によって収集された、$\sqrt{s}=13$ TeVにおける140 fb$^{-1}$の陽子陽子衝突データを利用します。

• 信号モデル: 本探索は、$q\bar{q}$対消滅およびグルオン・グルオン融合による、二基本（bifundamental）スカラー媒介子（$\phi$）のペア生成を対象としています。各媒介子はダーククォークとSMクォークへと崩壊します。ダーククォークはダークセクター内でシャワーを形成し、マクロな寿命を持つSMダウンクォークへと崩壊する、収束したダーク・パイ中間子のスプレーを生成します。最終状態のトポロジーは、2つのSMジェットと2つのエマージング・ジェットからなる4つのジェットで構成されます。本解析では、媒介子がSMダウンクォークにのみ結合する、フレーバーのないモデルを仮定しています。
• イベント再構成: 標準的なATLASトラック再構成に加え、大きな衝撃パラメータ（$|d_0| < 300$ mm）を持つトラックを回収するための専用の「ラージ・ラディウス・トラッキング（LRT）」アルゴリズムが併用されます。二次的な変位頂点（DV）は、標準トラックとLRTトラックの両方を用いて再構成され、物質との相互作用や長寿命なSM粒子（例：$K^0_S$）からの背景事象を排除するための厳格な選択基準に従います。
• イベント選択: 少なくとも4つのジェット（$p_T > 120$ GeV）に対してトリガーをかけます。オフライン選択では、上位4つのジェットの$p_T$のスカラ和（$H_T$）が1 TeVを超えることを要求します。SMに近いジェットと、変位したトラックを含むジェットを区別するために、ジェットの特性変数であるプロンプト・トラック分率（PTF）が計算されます。イベントには、ジェットに一致する少なくとも1つのDVが含まれている必要があります。
• 分類戦略: 2段階のブーステッド決定木（BDT）分類器が採用されています。第1段階は、ジェットの質量、幅、エネルギーなどの観測量を用いてジェットレベルで動作します。第2段階は、4つの主要なジェットのBDTスコア、$H_T$、最小PTF、ジェット多重度、および横方向の球状度（$S_T$）を利用して、イベントレベルで動作します。
• 背景事象推定: 主要な背景事象はQCDマルチジェット生成であり、これはシミュレーションによる正確なモデリングが困難です。修正されたABCD法に基づく、完全にデータ駆動的なアプローチが用いられます。ABCD平面は、イベントレベルのBDT応答（$R$）と、ジェットに一致する変位頂点の数（$N_{DV}$）によって定義されます。信号領域（SR）は高い$R$と高い$N_{DV}$によって定義され、制御領域（CR）を用いてSRにおける背景事象の収量を推定します。変数間の相関を補正するために線形近似が適用されます。2つの検証領域（Low-$H_T$およびShifted-ABCD）により、背景事象推定手法の妥当性が確認されます。

主な貢献

• 新規な探索戦略: 本解析は、ダークQCDのシグネチャの探索を、4ジェット最終状態におけるエマージング・ジェット・トポロジーへと拡張し、特にペア生成されるスカラー媒介子を標的としています。これは、レゾナントなベクトル媒介子や2ジェット・トポロジーに焦点を当てた従来のRun 2およびRun 3の探索を補完するものです。
• 高度な機械学習: 2段階のBDT分類器の実装により、複雑なEJのシグネチャを圧倒的なQCDマルチジェット背景事象から効果的に分離し、ジェットの部分構造とグローバルなイベント形状変数の両方を活用しています。
• 堅牢な背景事象推定: シミュレーションが信頼できない領域において、線形外挿を用いた修正ABCD法を適用することで、精密でデータ駆動的な背景事象推定を実現しており、複数の制御領域および検証領域を通じて検証されています。
• 系統誤差の取り扱い: 解析には、長寿命の信号モデルにおける主要な不確かさの源となる、変位したトラックおよび頂点（LRT）の再構成に関連する包括的な系統誤差の取り扱いが含まれています。

結果
標準模型の背景事象期待値を上回る有意なイベントの超過は観測されませんでした。

• 観測値 vs 期待値: 信号領域において、予測された背景事象は $112 \pm 6$ (stat) $\pm 4$ (syst) であり、103 個のイベントが観測されました。
• 除外限界: スカラー媒介子のペア生成断面積（$\sigma(pp \to \phi^\dagger\phi)$）に対する95%信頼水準（CL）の上限値が設定されました。
  • ダーク・パイ中間子の固有崩壊長（$c\tau_{\pi_d}$）が 20 mm、質量（$m_{\pi_d}$）が 20 GeV の場合、媒介子質量は 1 から 2 TeV の範囲で除外されます。
  • 具体的には、$m_{\pi_d} = 20$ GeV かつ $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm の場合、最大 2.00 TeV までの媒介子質量が除外されます。
  • $m_{\pi_d} = 10$ GeV かつ $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm の場合、最大 1.99 TeV まで除外されます。
  • $m_{\pi_d} = 5$ GeV かつ $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm の場合、最大 1.95 TeV まで除外されます。
• 寿命依存性: 感度は中間的な寿命（$2 \text{ mm} < c\tau_{\pi_d} < 100 \text{ mm}$）で最も高くなります。寿命が非常に短い場合は（変位の減少により）、非常に長い場合は（トラッカーの受容範囲外で崩壊するため）、感度は低下します。
• CMSとの比較: 結果は、最近のCMSのエマージング・ジェット探索と比較されています。CMSはグラフニューラルネットワーク（GNN）を用いて、非常に短い寿命および非常に長い寿命においてより厳しい制限を設定していますが、本ATLAS解析は、中間的な寿命領域（2–300 mm）において競争力のある感度を示すことを実証しています。

意義
本論文は、特定の質量および寿命の設定において、エマージング・ジェット・トポロジーにおけるスカラー媒介子のペア生成に関する、現時点で最も厳しい制限を確立しました。4ジェット最終状態における従来のATLAS探索よりも断面積を因子2小さいレベルまで探索することで、本解析はダークQCDモデルのパラメータ空間を大幅に制約しています。この結果（null result）は、特に媒介子質量が最大2 TeV、ダーク・パイ中間子の寿命が約20 mmである場合において、ダウン型クォークに結合するスカラー媒介子を持つダークセクターの存在に対し、強い制約を与えます。本解析の手法、特にデータ駆動的な背景事象推定と2段階のML分類器は、複雑なジェット環境における長寿命粒子の将来の探索のための堅牢な枠組みを提供します。