⚛️ high-energy experiments

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

CMS 협업팀은 136 fb $^{-1}$ 의 13 TeV 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 b 및 경량 flavor 쿼크로 붕괴하는 다제트 공명 현상의 공명적 및 비공명적 쌍생산에 대한 첫 번째 탐색 결과를 제시하며, 탑 스쿼크 및 다쿼크 모델에 대한 배제 한계치를 설정하는 동시에 최대 2.6 표준 편차의 국소적 과잉을 관측하였다.

원저자: CMS Collaboration

게시일 2026-09-21

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CC BY 4.0

원저자: CMS Collaboration

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우주는 표준 모델(Standard Model)이라고 알려진 일련의 규칙 위에 구축되어 있으며, 이 틀은 우리가 보는 모든 것을 구성하는 근본 입자와 힘을 성공적으로 설명합니다. 그러나 물리학자들은 이 그림이 불완전하다는 것을 알고 있습니다. 이는 중력, 암흑 물질의 본질, 또는 왜 우주에 반물질보다 물질이 더 많은지를 설명하지 못합니다. 이 빠진 조각들을 찾기 위해, 과학자들은 거대 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 양성자를 거의 빛의 속도로 충돌시켜, 숨겨진 현실의 층을 드러낼 수도 있는 새로운 입자의 샤워를 만들어냅니다. 가장 유망한 이론 중 하나는 무겁고 불안정한 입자가 일반적인 물질의 제트(jets)로 붕괴할 것이라고 예측하는 것입니다. 과학자들이 단일 무거운 입자가 부서지는 현상을 오랫동안 탐색해 왔지만, 더 복잡한 시나리오는 이러한 무거운 입자 쌍이 생성된 후 더 많은 파편으로 부서지는 과정을 포함합니다. 이 특정 탐색는 두 쌍의 입자 제트, 즉 각 쌍이 우리 일상의 흔한 양성자나 중성자보다 더 무겁고 희귀한 종류인 바텀 쿼크(bottom quark)를 하나씩 포함하는 희귀한 신호를 찾습니다.

최근 연구에서 CERN의 CMS 협력단은 이 미묘한 입자 쌍을 추적하기 위해 방대한 양의 충돌 데이터를 조사했습니다. 그들은 13 테라전자볼트(TeV)의 에너지에서 발생한 양성자-양성자 충돌로부터 수집된 138 페미토바른(femtobarns)의 데이터 단위를 분석했습니다. 연구팀은 두 가지 뚜렷한 가능성을 조사했습니다. 첫 번째는 비공명 과정(nonresonant process)으로, 두 개의 무거운 입자가 독립적이고 동시에 생성되어 각각 바텀 쿼크와 더 가벼운 쿼크로 붕괴하는 경우입니다. 두 번째 가능성은 공명 과정(resonant process)으로, 하나의 훨씬 더 무거운 부모 입자가 먼저 생성된 후, 이것이 두 개의 중간 입자로 갈라진 뒤 다시 붕괴하는 경우입니다. 두 시나리오 모두 최종 결과는 네 개의 뚜렷한 에너지 제트가 되며, 그중 두 개는 바텀 쿼크에서 기원합니다. 연구진은 이러한 바텀 쿼크를 식별하고, 결과로 나타난 제트의 에너지를 통해 원래 입자의 질량을 재구성하기 위해 정교한 알고리즘을 사용했습니다.

분석은 일반적인 입자 충돌의 매끄럽고 예측 가능한 배경(background) 사이에서 눈에 띄는 "범프(bump)" 또는 국소적인 과잉을 찾는 데 집중했습니다. 배경 소음은 표준 양자 상호작용에서 발생하는 제트의 지속적인 생성으로 인해 엄청나게 크지만, 연구진은 이론적 예측에만 의존하는 대신 데이터 자체로부터 이 배경을 직접 모델링하는 방법을 개발했습니다. 그들은 두 제트 쌍의 질량과 네 개 제트 전체 질량의 비율을 기준으로 사건들을 분류했는데, 이 기술은 잠재적인 신호를 압도적인 배경으로부터 분리하는 데 도움이 되었습니다. 데이터를 거른 결과, 팀은 새로운 입자에 대한 결정적인 증거를 발견하지 못했습니다. 결과는 예측된 무거운 공명 현의 존재를 확증할 만한 명확하고 통계적으로 유의미한 정점을 보여주지 않았습니다.

그러나 발견의 부재는 과학자들이 무엇이 존재할 수 있는지에 대한 엄격한 경계를 설정할 수 있게 해주었습니다. 그들은 만약 특정 유형의 무거운 입자, 구체적으로 R-패리티(R-parity)라는 대칭성 위반과 관련된 모델에서 예측되는 입자들이 존재한다면, 그 질량이 0.8 테라전자볼트보다 커야 한다는 것을 결정했습니다. 이 발견은 이전 실험들이 아직 완전히 탐구하지 못했던 낮은 질량 범위에서 이러한 입자의 존재 가능성을 효과적으로 배제했습니다. 마찬가지로, 무거운 다이쿼크(diquark) 입자를 포함하는 공명 탐색의 경우, 2에서 7 테라전자볼트 사이의 질량을 제외했습니다. 이러한 한계치는 바텀 쿼크를 포함하는 이 특정 유형의 입자 붕괴에 관한 최초의 사례이며, 새로운 물리학의 가능한 질량에 대해 알려진 경계를 넓혔습니다.

주요 탐색은 빈손으로 끝났지만, 데이터에는 몇 가지 흥미로운 변동(fluctuations)이 포함되어 있었습니다. 비공명 생성 탐색에서는, 기대되는 배경으로부터 가장 눈에 띄는 편차가 1.0 테라전자볼트의 질량에서 2.1 표준 편차의 유의성으로 나타났습니다. 공명 탐색에서는 3.1 테라전자볼트의 4-제트 질량에서 2.6 표준 편차에 해당하는 약간 더 큰 변동이 관찰되었습니다. 입자 물리학의 언어로, 이 수치들은 데이터가 특정 지점에서 배경 예측과 약간 달라 보였음을 나타내지만, 그 효과가 발견으로 간주될 만큼 강력하지는 않다는 것을 의미합니다. 이러한 변동은 무작위적인 통계적 변동으로 인해 가끔 발생할 수 있는 현상이며, 연구진은 이것이 새로운 입자의 증거를 구성하지 않는다는 점을 강조합니다.

연구는 또한 데이터셋에서 기록된 가장 높은 에너지를 가진 특정 사건을 강조했습니다. 이 사건은 네 개의 제트가 결합하여 5.5 테라전자볼트의 질량을 가졌습니다. 2018년에 발생한 이 단일 사건은 질량이 거의 동일하고 이론적 기대치와 일치하는 방식으로 정렬된 두 쌍의 제트를 포함하고 있었습니다. 그 인상적인 외관에도 불구하고, 나머지 데이터가 해당 에너지 수준에서 일관된 신호를 뒷받침하지 못했기 때문에 이 단일 사건이 전체 결론을 뒤집지는 못했습니다. 연구진은 이 사건이 통계적 변동이 발생하기 쉬운 영역인 고질량 꼬리(high-mass tail) 분포에서 나타났다고 언급했습니다.

궁극적으로, 이 연구는 표준 모델을 넘어서는 물리학을 찾는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다. 바텀 쿼크를 포함하도록 탐색 범위를 확장하고 광범위한 질량을 다룸으로써, 협력단은 이전에 열려 있었던 몇몇 이론적 가능성들에 대한 문을 닫았습니다. 결과는 에너지 지형에 대한 더 명확한 지도를 제공하며, 과학자들에게 새로운 입자가 어디에 없는지를 알려주는데, 이는 입자가 있을 법한 곳을 찾는 것만큼이나 가치 있는 일입니다. 거대 강돌입기에서 더 많은 데이터를 수집함에 따라 탐색은 계속되겠지만, 현재로서는 우주는 이러한 특정 무거운 입자 쌍의 존재에 대해 침묵을 지키고 있습니다.

기술 요약: b-제트를 포함한 다이제트 공명 쌍 생성의 공명 및 비공명 탐색

문제 및 동기
본 논문은 중심 질량 에너지 $\sqrt{s} = 13$ TeV인 양성자-양성자 충돌에서 다이제트 공명( $X$ )의 쌍 생성과 관련된 새로운 물리학 현상에 대한 탐색을 제시한다. 단일 다이제트 공명에 대한 표준적인 탐색은 잘 확립되어 있으나, (최종 상태에서 4개의 분해된 제트를 생성하는) 다이제트 공명 쌍의 생성은 다양한 표준 모형 너머(BSM) 이론에서 예측하는 더 복받은 과정이다. 구체적으로, 본 분석는 각 다이제트 공명이 바텀( $b$ ) 쿼크와 가벼운 맛깔(light-flavor) 쿼크로 붕괴하여, 두 개의 $b$ 제트와 두 개의 가벼운 제트로 구성된 최종 상태( $pp \to XX \to (bj)(bj)$ )를 생성하는 시나리오를 목표로 한다.

$b$ -제트 최종 상태에 집중하는 동기는 맛깔 태깅(flavor tagging)을 활용하지 않았던 이전의 CMS 탐색 결과로부터 기인한다. 해당 태깅되지 않은 탐색들은 특정 질량 영역(예: 비공명 생성에서의 0.95 TeV 다이제트 공명 및 공명 생성에서의 3.6 TeV 4-제트 공명)에서 3.6–3.9 표준 편차(s.d.)의 국소적 과잉(local excess)을 관찰하였다. 본 분석는 무거운 맛깔 시나리오를 테스트하기 위해 $b$ -태깅을 통합함으로써 이러한 조사들을 확장하며, 이는 R-패리티 위반(RPV) 초대칭성 및 다이쿼크 모델과 같이 이러한 붕괴 위상(topology)을 예측하는 모델들을 검증한다.

방법론
본 분석는 CMS 검출기에 의해 수집된 138 fb $^{-1}$ 의 적분 휘도에 해당하는 데이터셋을 활용한다. 탐색은 두 가지 뚜렷한 물리학 시나리오로 나뉜다:

비공명 생성: RPV 초대칭성에서 탑 스쿼크( $\tilde{t}$ )가 $b$ 및 $s$ 쿼크로 붕괴하는 모델을 통해 모델링된, 스핀-0 다이제트 공명( $X$ )의 직접적인 쌍 생성.
공명 생성: 두 개의 다이제트 공명으로 붕괴하는 무거운 중간 공명( $Y \to XX$ )의 생성. 이는 무거운 스칼라 다이쿼크( $S_{uu}$ )가 두 개의 가벼운 스칼라 다이쿼크( $S_{2/3}$ )로 붕괴하는 다이쿼크-투-다이쿼크(D2D) 시나리오를 통해 모델링된다.

이벤트 선택 및 재구성:

트리거 및 제트: 고에너지 $H_T$ 트리거를 사용하여 이벤트를 선택한다. 오프라인 분석에서는 거리 파라미터 0.4인 anti- $k_T$ 알고리즘을 사용하여 제트를 재구성한다. 4개의 선도 제트는 $p_T > 80$ GeV 및 $|\eta| < 2.4$ (또는 데이터 수집 연도에 따라 2.5)를 만족해야 한다.
쌍 형성(Pairing): 공명 질량의 재구성을 최적화하기 위해 $\Delta R$ 분리도를 최소화하도록 4개의 제트를 두 개의 다이제트 시스템으로 쌍을 맺는다.
맛깔 태깅: $b$ 제트를 식별하기 위해 DEEPJET 알고리즘이 사용된다. 분석는 약 75%의 효율과 약 1%의 가벼운 맛깔 오식별률을 갖는 "medium" 작동 지점을 활용하여, 각 두 다이제트 시스템 내에 적어도 하나의 $b$ 제트가 있도록 요구한다.
운동학적 변수: 탐색은 4-제트 불변 질량( $m_{4j}$ )과 평균 다이제트 질량( $m_{2j}$ )의 평면에서 수행된다. 이 변수들 사이의 상관관계를 완화하기 위해, 분석는 무차원 비율 $\alpha = m_{2j}/m_{4j}$ 에 따라 데이터를 빈(bin)으로 나눈다.
배경 추정: 주요 배경(QCD 다중 제트 생성)은 배경 전용 피팅을 사용하여 데이터로부터 직접 추정된다. 경험적 함수 형태(Dijet-3p, ModDijet-3p, PowExp-3p)가 $m_{2j}$ (비공명) 및 $m_{4j}$ (공명) 스펙트럼에 피팅된다. 함수 형태의 선택은 이산 프로파일링 방법(discrete profiling method)을 통해 계통 오차로 처리된다.

주요 기여 및 결과
본 연구는 최종 상태에 $b$ 제트를 포함하는, 완전히 분해된 다이제트 공명 쌍의 공명 생성을 위한 첫 번째 LHC 탐색을 나타낸다. 여기서 모든 공명은 표준 모형이 아닌 상태에 해당한다.

비공명 탐색:
- 가장 유의미한 과잉은 평균 다이제트 질량이 1.0 TeV인 지점에서 발생하였으며, 국소 유의성은 2.1 s.d.이다.
- 95% 신뢰 수준(CL)에서의 상한선은 RPV 붕괴( $b$ 및 $s$ 쿼크로의 붕дя) 맥락에서 0.5에서 0.8 TeV 사이(관측) 및 0.5에서 0.8 TeV 사이(기대)의 탑 스쿼크를 배제한다. 이는 약 0.5 TeV였던 이전의 질량 한계치를 확장한 것이다.
공명 탐색:
- 가장 유의미한 과잉은 4-제트 공명 질량 3.1 TeV 및 다이제트 공명 질량 1.3 TeV에서 관찰되었으며, 국소 유의성은 2.6 s.d.이다. 이는 $\alpha_{true} = 0.42$ 가설에 해당한다.
- 상한선은 다양한 딸(daughter) 다이쿼크( $S_{2/3}$ )의 질량비를 가진 무거운 다이쿼크( $S_{uu}$ ) 질량을 2에서 7 TeV 사이로 배제한다. 이는 D2D 모델에 대해 설정된 첫 번째 한계치이다.
계통 오차: 분석는 제트 에너지 스케일, 분해능, 적분 휘도 및 $b$ -태깅 효율의 불확실성을 고려한다. 배경 모델링 불확실성, 특히 경험적 함수의 선택은 낮은 질량 영역에서 지배적인 계통 요인이 되며, 높은 질량 영역에서는 통계적 불확실성이 지배적이다.

의의
본 논문은 무거운 맛깔 최종 상태를 포함하는 쌍 생성 다이제트 공명의 탐색 경계를 확장함으로써 그 유의성을 주장한다. $b$ -태깅을 적용함으로써, 본 분석는 무거운 맛깔 붕괴를 예측하는 BSM 모델을 테스트하며 이전의 태깅되지 않은 탐색에 대한 보완적인 제약을 제공한다. 통계적으로 유의미한 새로운 공명의 증거는 발견되지 않았으나(모든 과잉은 발견을 위한 3 s.d. 임계값 미만임), 결과는 다이제트 쌍의 공명 생성에 대한 첫 번째 배제 한계를 제공하며 비공명 RPV 탑 스쿼크 생성에 대한 배제 한계를 크게 개선한다. 또한, 본 분석는 이전의 태깅되지 않은 탐색에서 관찰된 특정 과잉들을 무거운 맛깔 시나리오의 맥락 내에서 조사하는 역할도 수행하며, $b$ -태그 채널에서는 이러한 과잉들이 확인되지 않음을 보여준다.

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