Search for long-lived particles decaying into muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV using data scouting

기술 요약: 데이터 스카우팅(Data Scouting)을 이용한 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 양성자-양성자 충돌에서의 뮤온으로 붕괴하는 장수명 입자 탐색

문제 및 동기
암흑 물질의 기원은 입자 물리학의 주요 미해결 과제로 남아 있으며, 이는 표준 모형(SM) 입자와 약하게 상호작 작용하는 숨겨진 (암흑) 섹터에 대한 탐색을 촉발하고 있습니다. 본 논문은 특히 힉스 보손이 암흑 섹터 입자로 붕괴하거나, 장수명 스칼라가 $b$-하드론 붕괴로부터 발생하는 시나리오를 표적으로 하는 여러 초표준 모형(BSM) 프레임워크 내에서 장수명 입자(LLP)를 찾는 문제를 다룹니다. 주요 모델로는 힉스가 한 쌍의 장수명 암흑 광자($Z_D$)로 붕괴하는 Hidden Abelian Higgs Model (HAHM), 구속된 암흑 게이지 그룹이 암흑 파이온과 광자의 "암흑 샤워(dark showers)"를 생성하는 암흑 샤워 모델, 그리고 힉스와 혼합되는 싱글렛 스칼라($\phi$)를 포함하는 최소 확장 모델이 있습니다.

저질량 공명 상태($m < 10$ GeV)와 거시적인 붕괴 길이를 가진 신호의 경우, 표준 트리거 스트림의 제한이 탐지 측면에서 중요한 도전 과제입니다. 표준 트리거는 일반적으로 높은 횡운동량($p_T$) 입자를 요구하며, 이로 인해 저질량의 변위된 뮤온 쌍(displaced muon pairs)은 접근이 불가능해집니다. 또한, 이전의 CMS 데이터 스카우팅(감소된 이벤트 정보를 유지하는 고율 트리거 스트림) 분석은 픽셀 히트 다중도 요구 사항으로 인해 붕괴 변위($l_{xy}$)가 11 cm 미만인 경우로 제한되었습니다.

방법론
본 분석은 2022년과 2023년 동안 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV에서 수집된 CMS 실험의 양성자-양성자 충돌 데이터(통합 휘도 62.4 fb$^{-1}$에 해당)를 활용합니다.

• 트리거 전략: 본 탐색은 전용 "데이터 스카우팅" 디뮤온 트리거 스트림을 사용합니다. 이 스트림은 고수준 트리거(HLT)에서 감소된 정보(4-모멘텀, 히트 수, 트랙 상세 정보)만을 유지함으로써, 낮은 횡운동량 임계값($p_T \gtrsim 3-4$ GeV)을 가진 이벤트의 고율 선택을 가능하게 합니다. 결정적으로, 2022년 스카우팅 트리거 업데이트를 통해 픽셀 히트 다중도 요구 사항이 제거되었으며, 이를 통해 이전 CMS 스카우팅 분석에서는 접근할 수 없었던 70 cm까지의 붕괴 변위($l_{xy} > 11$ cm)를 가진 뮤온 쌍의 재구성이 가능해졌습니다.
• 이벤트 선택: 이벤트는 이차 정점(secondary vertex, SV)과 연관된 적어도 하나의 반대 전하(OS) 뮤온 쌍의 존재를 기준으로 선택됩니다. 선택 기준은 다음과 같습니다:
  • SV 변위 $l_{xy} < 70$ cm.
  • 정점 적합 품질($\chi^2/\text{dof} < 3$) 및 좌표 불확도.
  • 트래커 모듈 내부의 SV를 제외함으로써 물질 상호작용 억제.
  • 무작위 조합 배경을 제거하기 위해 디뮤온 운동량 벡터가 SV 벡터와 공선(collinear)을 이루도록 하는 위상적 요구 사항(pointing).
  • 변위된 뮤온과 프롬프트 배경을 구별하기 위한 격리(isolation) 기준 및 충격 매개변수 유의성($|d_{xy}|/\sigma_{d_{xy}} > 2$).
  • 프롬프트 뮤온이 우연히 변위된 정점을 형성하는 것을 방지하기 위한 "과잉 히트($N_{\mu\mu}^{\text{excess}}$)"의 특수 처리.
• 범주화: 선택된 이벤트는 다음과 같이 분류됩니다:
  1. 디뮤온 이벤트: 단일 OS 뮤온 쌍으로, $l_{xy}$(0에서 70 cm까지 8개 빈), pointing vs. non-pointing 위상, 격리 상태, 그리고 $p_T^{\mu\mu}$ (< 25 GeV vs. > 25 GeV)에 따라 추가 분할됩니다.
  2. 포뮤온 이벤트: 두 쌍의 OS 뮤온을 포함하는 이벤트로, "멀티 정점(multivertex)"(공간적으로 분리된 SV) 또는 "중첩 정점(overlapping vertex)"(불확도 내에서 중첩된 SV)으로 분류됩니다.
• 배경 모델링: SM 배경은 슬라이딩 윈도우 내에서 다중 뮤온 불변 질량 스펙트럼에 피팅된 매끄러운 해석적 함수(Bernstein 다항식, 멱함수, 지수 함수)를 사용하여 데이터로부터 직접 추정됩니다. 알려진 SM 공명 상태(예: $J/\psi$, $\Upsilon$)는 마스킹 처리됩니다.
• 신호 해석: HAHM ($H \to Z_D Z_D$), 암흑 샤워 시나리오(Scenario A 및 B1), 그리고 $b$-하드론 붕괴($h_b \to \phi X$)에 대한 신호 MC 샘플이 생성됩니다. 브랜칭 분율에 대한 상한선은 CL$_s$ 기준을 사용하는 프로파일 우도비(profile likelihood ratio)를 사용하여 설정됩니다.

주요 기여

1. 확장된 위상 공간: 본 분석은 업데이트된 스카우팅 트리거를 활용하여 70 cm까지의 붕괴 길이를 조사함으로써, 이전의 11 cm 제한을 극복하고 변위된 뮤온 탐색을 위한 가용 위상 공간을 크게 확장했습니다.
2. 저질량 민감도: 낮은 $p_T$ 임계값을 채택함으로써, 본 탐색은 표준 고-$p_T$ 트리거에 의해 배제되기 쉬운 10 GeV 미만의 좁은 공명 상태를 표적으로 합니다.
3. 포괄적인 범주화: 포뮤온 위상(분리된 정점 및 중첩된 정점 모두 포함)의 포함과 변위 및 격리에 따른 상세한 디뮤온 이벤트 빈닝은 다양한 BSM 생성 및 붕괴 메커니즘에 대한 민감도를 제공합니다.
4. 데이터 기반 배경: 데이터 기반 배경 모델링에 대한 의존은 저질량, 고다중도 영역에서의 시뮬레이션 불확실성에 대한 강건성을 보장합니다.

결과
분석된 모든 범주에서 SM 예측을 초과하는 유의미한 이벤트 과잉은 관찰되지 않았습니다. 이에 따라 고려된 BSM 모델들에 대해 95% 신뢰 수준(CL) 상한선이 설정되었습니다:

• Hidden Abelian Higgs Model: 암흑 광자 질량($m_{Z_D}$) 범위 0.5 ~ 50 GeV 및 고유 붕괴 길이($c\tau_{Z_D}^0$) 0.1, 1, 10, 100 cm에 대해 $\mathcal{B}(H \to Z_D Z_D)$에 대한 한계가 설정되었습니다. 결과는 특히 $m_{Z_D} < 5$ GeV 및 $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ cm 영역에서 이전의 제약 조건을 개선했습니다.
• Dark-Shower Models: Scenario A와 B1에 대해 $\mathcal{B}(H \to \Psi\Psi)$에 대한 상한선이 설정되었습니다. 본 분석은 암흑 광자($A'$)와 암흑 파이온($\tilde{\pi}_3$)의 고유 붕괴 길이를 10 cm에서 100 cm까지 확장하여 이전의 한계를 넘어섰습니다.
• $b$-Hadron으로부터의 장수명 스칼라: 스칼라 질량 $m_\phi$가 최대 4 GeV이고 수명이 0.1, 1, 10 cm인 경우에 대해 $\mathcal{B}(h_b \to \phi X)\mathcal{B}(\phi \to \mu\mu)$의 곱에 대한 한계가 설정되었습니다. 이러한 제약은 이전 결과와 유사한 수준이며, 더 작은 데이터셋에도 불구하고 개선된 트리거 효율이 이를 보완합니다.

의의
본 논문은 결과적인 제약 조건이 Hidden Abelian Higgs 모델(특히 $m_{Z_D} < 5$ GeV 및 $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ cm인 경우)과 암흑 샤워 모델(고유 붕괴 길이 $> 10$ cm인 경우)의 광범한 파라미터 공간에 대해 현재까지 가장 엄격한 제한임을 주장합니다. 이 연구는 데이터 스카우팅 기술이 표준 트리거 스트림으로는 접근할 수 없는 저질량, 장수명 입자와 같은 검출기 수용 영역의 "블라인드 스팟(blind spots)"을 탐색하는 데 효과적임을 입증합니다. 더 큰 붕괴 길이와 더 낮은 질량으로 도달 범위를 확장함으로써, 본 분석은 이러한 특정 BSM 가설에 대한 실행 가능한 파라미터 공간을 크게 좁혔습니다.