⚛️ high-energy experiments

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

Met behulp van 140 fb $^{-1}$ aan 13 TeV proton-proton botsingsdata heeft het ATLAS-experiment een zoektocht naar emerging jets in vier-jet topologieën uitgevoerd en vond geen significante excess boven de Standaardmodel-achtergrond, waarmee uitsluitingslimieten stelde op mediator-massa's tussen 1 en 2 TeV voor specifieke donkere sector-parameters.

Oorspronkelijke auteurs: ATLAS Collaboration

Gepubliceerd 2026-07-16

📖 4 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: ATLAS Collaboration

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je het universum voor als een enorme, bruisende stad waar de meeste gebouwen zijn gemaakt van een bekend, zichtbaar materiaal dat "Standaardmodel"-materie wordt genoemd. We kennen deze stad goed; we hebben de straten in kaart gebracht en de inwoners benoemd. Maar astronomen vermoeden al lang dat deze zichtbare stad slechts het topje van de ijsberg is. Verborgen onder de straten, in een uitgestrekt, onzichtbaar ondergronds netwerk, ligt een "Donkere Sector". We kunnen deze niet direct zien omdat de inwoners ervan niet interageren met licht of de krachten die wij gebruiken om onze wereld te bouwen. Toch weten we dat deze donkere stad moet bestaan, omdat haar zwaartekracht de zichtbare stad bij elkaar houdt en voorkomt dat deze uit elkaar vliegt. Het grote mysterie is: hoe ziet die donkere stad eruit? Is het een stille, lege leegte, of een chaotische metropool met haar eigen complexe natuurwetten, haar eigen deeltjes en haar eigen vreemde architectuur?

Wetenschappers zijn bijzonder geïnteresseerd in een theorie genaamd "Dark QCD". In onze zichtbare wereld werkt een kracht genaamd Kwantumchromodynamica (QCD) als een supersterke lijm die minuscule deeltjes genaamd quarks aan elkaar bindt om protonen en neutronen te vormen. De Dark QCD-theorie suggereert dat de verborgen donkere sector haar eigen versie van deze lijm heeft, die haar eigen "donkere quarks" creëert die samenklonteren tot "donkere hadronen". Het opwindende deel is dat deze donkere deeltjes misschien niet voor altijd verborgen blijven. Ze zouden af en toe kunnen vervallen, waarbij ze veranderen in onze vertrouwde deeltjes en een zeer specifieke, vreemde handtekening achterlaten: een straal van deeltjes (een jet) die lijkt te verschijnen in het midden van een detector, ver weg van waar de botsing begon. Dit worden "emerging jets" genoemd, en het vinden ervan zou zijn alsof je een geheim metrostation ontdekt dat alleen zijn deuren opent voor een fractie van een seconde voordat het weer verdwijnt.

Dit artikel is een rapport van het ATLAS-experiment, een massieve deeltjesdetector bij de Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland. Het team trad op als kosmische detectives en zocht door een berg gegevens van 140 triljoen triljoen protonbotsingen (140 fb⁻¹) die plaatsvonden tussen 2015 en 2018. Ze waren op zoek naar een specifiek scenario: een paar zware, onzichtbare "mediator"-deeltjes (denk aan deze als donkere boodschappers) die tijdens een botsing worden gecreëerd. Deze boodschappers zouden onmiddellijk vervallen in een mix van normale deeltjes en donkere deeltjes. De donkere deeltjes zouden vervolgens een korte afstand binnen de detector afleggen voordat ze veranderen in een straal van normale deeltjes, waardoor een "jet" ontstaat die lijkt te ontstaan uit het niets, compleet met meerdere "displaced vertices" (punten waar de vervalactie plaatsvond, weg van het centrum).

Om deze ongrijpbare signalen te vinden, bouwden de wetenschappers niet alleen op zoek naar één ding; ze bouwden een geavanceerde tweefasige "digitale detective" met behulp van machine learning. Eerst trainden ze een computer om de unieke vorm en structuur van een enkele jet te herkennen die mogelijk donkere geheimen verbergt. Vervolgens trainden ze een tweede computer om naar de hele gebeurtenis te kijken, om te controleren of de vier jets in de botsing overeenkomen met het patroon van een paar donkere boodschappers die vervallen. Ze vergeleken hun bevindingen met een enorme achtergrond van gewone deeltjesbotsingen, die als de luidruchtige menigte bij een concert kunnen zijn die een fluistering gemakkelijk kan overstemmen.

Het resultaat van deze enorme zoektocht? De detectoren bleven stil. Het team vond geen bewijs van emerging jets. Het aantal gebeurtenissen dat zij zagen, kwam perfect overeen met de voorspellingen voor de gewone fysica, zonder dat er mysterieuze excessen opdoken. Omdat ze het signaal niet vonden, konden ze niet bewijzen dat de donkere boodschappers bestaan, maar ze deden iets dat even belangrijk is: ze brachten een zeer nauwkeurige kaart in kaart van waar deze boodschappers niet kunnen zijn. Ze sloten het bestaan van deze specifieke donkere boodschappers uit als ze een massa hebben tussen 1 en 2 TeV (een eenheid van massa-energie) en als de donkere deeltjes die ze creëren een specifieke levensduur hebben van 20 mm. Met andere woorden: als deze donkere boodschappers bestaan, zijn ze ofwel veel zwaarder dan 2 TeV, of ze gedragen zich totaal anders dan het model dat de wetenschappers testten. De zoektocht gaat door, maar voor nu blijft deze specifieke versie van de donkere stad verborgen.

Technische Samenvatting: Zoektocht naar Emerging Jets in $pp$-botsingen bij $\sqrt{s}=13$ TeV met de ATLAS-experiment

Probleem en Motivatie
Ondanks uitgebreid bewijs voor Donkere Materie (DM), blijft de deeltjesaard ervan onbekend. Theoretische modellen stellen een "Donkere Sector" (DS) voor die wordt beheerst door een kleurvangende groep (confining gauge group) analoog aan Kwantumchromodynamica (QCD), vaak aangeduid als "Donkere QCD". In dergelijke modellen ondergaan donkere quarks ( $Q_d$ ) hadronisatie tot donkere mesonen (donkere pionnen, $\pi_d$ ) en baryonen. Terwijl stabiele donkere baryonen de Donkere Materie zouden kunnen constitueren, kunnen onstabiele donkere mesonen terug vervallen naar de Standaardmodel (SM) deeltjes via een zware scalaire mediator ( $\phi$ ). Afhankelijk van de levensduur van de donkere pionnen, produceren deze vervallen verschillende signaturen: prompt dark jets, semi-zichtbare jets (bevattende ontbrekende transversale energie), of "emerging jets" (EJs). EJs worden gekenmerkt door een hoge multipliciteit van langlevende donkere hadronen die binnen het detectorvolume vervallen, wat resulteert in meerdere gedisplaceerde vertices (DVs) binnen een enkele jet-cone. Dit artikel presenteert een zoektocht naar EJs voortvloeiend uit de paarproductie van donkere scalaire mediators, een scenario dat niet volledig is gedekt door eerdere zoektochten naar prompt of semi-zichtbare jets.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van 140 fb $^{-1}$ aan proton-proton botsingsdata bij $\sqrt{s}=13$ TeV, verzameld door de ATLAS-detector tussen 2015 en 2018 (Run 2).

Signaalmodel: De zoektocht richt zich op de paarproductie van bifundamentele scalaire mediators ( $\phi$ ) via $q\bar{q}$ -annihilatie en gluon-gluon fusie. Elke mediator vervalt in een donkere quark en een SM-quark. De donkere quark ondergaat een shower in de donkere sector, wat een ge collimeerde spray van donkere pionnen produceert die vervallen naar SM down-quarks ( $\pi_d \to d\bar{d}$ ) met een macroscopische levensduur. De finale staat-topologie bestaat uit vier jets: twee SM-jets en twee emerging jets. De analyse gaat uit van een ongeflavoreerd model waarbij de mediator alleen koppelt aan SM down-quarks.
Event Reconstructie: Standaard ATLAS track-reconstructie wordt aangevuld met een specifiek "Large Radius Tracking" (LRT) algoritme om tracks met grote impactparameters ( $|d_0| < 300$ mm) te herstellen. Secundaire gedisplaceerde vertices (DVs) worden gereconstrueerd met behulp van zowel standaard als LRT-tracks, onderworpen aan strikte selectiecriteria om achtergrond van materiaalinteracties en langlevende SM-deeltjes (bijv. $K^0_S$ ) te verwerpen.
Event Selectie: Events worden getriggerd op ten minste vier jets met $p_T > 120$ GeV. Offline selectie vereist dat de scalaire som van de vier leidende jet $p_T$ ( $H_T$ ) groter is dan 1 TeV. Een cruciale variabele is de Prompt Track Fraction (PTF), die wordt berekend voor jets om SM-achtige jets te onderscheiden van jets die gedisplaceerde tracks bevatten. Events moeten ten minste één DV bevatten die gematcht is aan een jet.
Classificatiestrategie: Er wordt een twee-fasen Boosted Decision Tree (BDT) classifier ingezet. De eerste fase opereert op jet-niveau met observabelen zoals jet-massa, breedte en energie. De tweede fase opereert op event-niveau, gebruikmakend van de BDT-scores van de vier leidende jets, $H_T$ , minimale PTF, jet-multipliciteit en transversale sfericiteit ( $S_T$ ).
Achtergrondschatting: De dominante achtergrond is QCD multijet productie, die moeilijk accuraat te modelleren is in simulaties. Een volledig datagedreven benadering gebaseerd op een aangepaste ABCD-methode wordt gebruikt. Het ABCD-vlak wordt gedefinieerd door de event-level BDT-respons ( $R$ ) en het aantal jet-gematchte gedisplaceerde vertices ( $N_{DV}$ ). De signaalregio (SR) wordt gedefinieerd door een hoge $R$ en een hoge $N_{DV}$ , terwijl controle-regio's (CRs) worden gebruikt om de achtergrondopbrengst in de SR te schatten. Een lineaire fit wordt toegepast om correlaties tussen de variabelen te corrigeren. Twee validatieregio's (Low- $H_T$ en Shifted-ABCD) bevestigen de achtergrondschatting-methode.

Belangrijkste Bijdragen

Nieuwe Zoekstrategie: Deze analyse breidt de zoektocht naar Dark QCD-signaturen uit naar de emerging jet-topologie in de vier-jet finale staat, speciferiek gericht op de paarproductie van scalaire mediators. Het complementeert eerdere Run 2 en Run 3 zoektochten die zich richtten op resonante vector-mediators of twee-jet topologieën.
Geavanceerde Machine Learning: De implementatie van een twee-fasen BDT-classifier scheidt effectief de complexe EJ-signatuur van de overweldigende QCD multijet achtergrond, door gebruik te maken van zowel jet-substructuur als globale event-vorm variabelen.
Robuuste Achtergrondschatting: De toepassing van een aangepaste ABCD-methode met lineaire extrapolatie maakt een precieze, datagedreven achtergrondschatting mogelijk in een regio waar simulatie onbetrouwbaar is, gevalideerd via meerdere controle- en validatieregio's.
Behandeling van Systematische Onzekerheden: De analyse bevat een uitgebreide behandeling van systematische onzekerheden, met name gerelateerd aan de reconstructie van gedisplaceerde tracks en vertices (LRT), die de dominante bron van onzekerheid zijn voor langlevende signaalmodellen.

Resultaten
Er werd geen significante overmaat van events boven de Standard Model achtergrondverwachting waargenomen.

Geobserveerd vs. Verwacht: In de signaalregio werden 103 events waargenomen vergeleken met een voorspelde achtergrond van $112 \pm 6$ (stat) $\pm 4$ (syst).
Exclusie-limieten: Bovenlimieten op het 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) zijn gesteld op de paarproductie-doorsnede van de scalaire mediator ( $\sigma(pp \to \phi^\dagger\phi)$ $σ (pp \to ϕ^{†} ϕ)$ ).
- Voor donkere pionnen met een eigen vervallengte ( $c\tau_{\pi_d}$ ) van 20 mm en een massa ( $m_{\pi_d}$ ) van 20 GeV, worden mediator-massa's uitgesloten in het bereik van 1 tot 2 TeV.
- Specifiek, voor $m_{\pi_d} = 20$ GeV en $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, worden mediator-massa's tot 2.00 TeV uitgesloten.
- Voor $m_{\pi_d} = 10$ GeV en $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, worden massa's tot 1.99 TeV uitgesloten.
- Voor $m_{\pi_d} = 5$ GeV en $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, worden massa's tot 1.95 TeV uitgesloten.
Levensduurafhankelijkheid: De sensitiviteit is het hoogst voor intermediaire levensduuren ( $2 \text{ mm} < c\tau_{\pi_d} < 100 \text{ mm}$ ). De sensitiviteit neemt af voor zeer korte levensduur (door verminderde verplaatsing) en zeer lange levensduur (door verval buiten de tracker-acceptatie).
Vergelijking met CMS: De resultaten worden vergeleken met recente CMS-zoektochten naar emerging jets. Hoewel CMS strengere limieten stelt bij zeer lage en zeer hoge levensduur met behulp van een Graph Neural Network (GNN), demonstreert deze ATLAS-analyse een concurrerende sensitiviteit in het intermediaire levensduurbereik ($2-300$ mm).

Significantie
Dit artikel vestigt de meest stringente limieten tot nu toe op de paarproductie van nieuwe scalaire mediators in de emerging jet-topologie voor specifieke massa- en levensduurconfiguraties. Door cross-secties te proberen die een factor twee kleiner zijn dan eerdere ATLAS-zoektochten in de vier-jet topologie, beperkt deze analyse de parameterruimte van Dark QCD-modellen aanzienlijk. Het resultaat van nul (null result) legt sterke restricties op het bestaan van donkere sectoren met QCD-achtige symmetrieën en scalaire mediators die koppelen aan down-type quarks, met name voor mediator-massa's tot 2 TeV en donkere pion-levensduur rond 20 mm. De methodologie, met name de datagedreven achtergrondschatting en de twee-fasen ML-classifier, biedt een robuust kader voor toekomstige zoektochten naar langlevende deeltjes in complexe jet-omgevingen.

Meer zoals dit