Search for electroweak scale dijet resonances in pile-up collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Dit artikel presenteert de eerste zoektocht naar elektrozwakke-schaal dijet-resonanties in het massabereik van 100–250 GeV met behulp van pile-up botsingen opgenomen door de ATLAS-detector bij $\sqrt{s}=13$ TeV, een innovatieve strategie die hoge jet-triggerdrempels omzeilt om laag-massa hadronische resonanties te onderzoeken zonder dat er een significante overschrijding ten opzichte van de Standaardmodel-verwachtingen werd waargenomen.

De kern

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) voor als de krachtigste, snelste deeltjesversneller ter wereld. Elke seconde laat de LHC protonen op elkaar botsen, wat een chaotische storm van puin creëert. Meestal zoeken wetenschappers naar een specifieke, zeldzame "schat" die verborgen ligt in die storm—een nieuw deeltje dat het universum zou kunnen verklaren.

Er is echter een probleem. De storm is zo luid en vol met alledaags puin (de zogenaamde "achtergrondruis") dat de "beveiligers" (triggers) van de detectoren de alarmdrempel erg hoog moeten instellen. Ze laten alleen gebeurtenissen toe met enorme hoeveelheden energie om te voorkomen dat ze overweldigd raken. Dit betekent dat ze de kleinere, stillere, maar potentieel opwindende gebeurtenissen in het lage energiebereik missen. Het is alsof je probeert een fluistering te horen in een rockconcert door alleen te luisteren naar mensen die schreeuwen.

De Nieuwe Strategie: Luisteren naar de "Publieksruis"

Dit artikel beschrijft een slimme truc die de ATLAS-collaboratie gebruikte om die fluisteringen te horen.

Normaal gesproken gebeurt het wanneer de LHC protonen laat botsen niet slechts één keer per seconde. Het gebeurt in "bundels" van botsingen. Soms vinden er op exact hetzelfde moment meerdere botsingen plaats. Wetenschappers noemen dit "pile-up".

Denk hierbij aan een druk treinstation:

• De Getriggerde Gebeurtenis: Een specifieke VIP-passagier (een elektron of muon met hoge energie) stapt uit de trein. De beveiliging van het station (de trigger) ziet hen, houdt de trein aan en legt alles vast over die VIP.
• De Pile-up: Terwijl de VIP wordt gecontroleerd, stappen er in diezelfde seconde ook tientallen andere gewone passagiers (andere botsende protonen) uit de trein.

In het verleden negeerden wetenschappers deze "gewone passagiers" grotendeels, omdat ze simpelweg werden beschouwd als achtergrondruis. Maar in deze studie besloten het ATLAS-team naar hen te kijken. Ze realiseerden zich dat zelfs toen de bewaker bezig was met de VIP, de camera's nog steeds de gewone passagiers registreerden.

Hoe ze het deden

1. De VIP-filter: Ze selecteerden data waarbij een "VIP" (een elektron of muon met hoge energie) werd gedetecteerd. Dit garandeerde dat ze een geldige opname van dat moment hadden.
2. De Crowd Scan: In plaats van alleen de VIP te bestuderen, gingen ze terug naar de opname en keken ze naar alle andere botsingen die in diezelfde fractie van een seconde plaatsvonden. Ze behandelden deze "pile-up"-botsingen als hun eigen, afzonderlijke gebeurtenissen.
3. De Zoektocht: Ze zochten in deze pile-up-botsingen naar paren van "jets" (sproeien van deeltjes) die afkomstig zouden kunnen zijn van een nieuw, laag-massa deeltje.

Waarom dit belangrijk is

Dit is als het besef dat, terwijl je een interview afneemt met de CEO van een bedrijf, je ook de gesprekken in de kantine ernaast kunt analyseren. Je krijgt een enorme hoeveelheid extra data zonder dat je een nieuw interview hoeft in te stellen.

Door deze methode te gebruiken, creëerden ze effectief een nieuwe dataset van 1,30 inverse picobarn aan data. Hoewel dit klein klinkt in vergelijking met de totale data die ATLAS verzamelt, is het een enorme hoeveelheid laag-energie data die voorheen onbereikbaar was omdat de "beveiligers" het zouden hebben geblokkeerd.

Wat ze vonden

Ze scanden deze nieuwe dataset voor een massabereik tussen 100 en 250 GeV (een relatief laag energieschaal). Ze zochten naar:

• Deeltjes uit het Standaardmodel: Zoals de W- en Z-bosonen (die ze verwachtten te zien, maar niet duidelijk vonden).
• Nieuwe Fysica: Specifiek een hypothetisch deeltje genaamd een Z-prime (Z') dat een brug zou kunnen zijn naar "Donkere Materie", of andere generieke nieuwe deeltjes.

Het eindoordeel

Het resultaat? Er werd geen nieuwe schat gevonden.

De data zagen er precies uit zoals het Standaardmodel (onze huidige beste theorie van de fysica) voorspelt. Er waren geen vreemde pieken of "bulten" in de data die op een nieuw deeltje zouden wijzen.

Dit is echter geen mislukking. Het is een succes op een andere manier. Omdat ze niets vonden, kunnen ze nu met een hoge mate van vertrouwen zeggen: "Als een nieuw deeltje zoals een Z' bestaat in dit specifieke massabereik, moet het zeer zeldzaam of zeer zwak interagerend zijn." Ze stelden strikte limieten aan hoe zwaar of hoe sterk het zou kunnen interageren, waardoor ze het zoekgebied voor toekomstige experimenten effectief verkleinden.

Samenvattend
Het ATLAS-team gebruikte een slimme "recycling"-strategie om naar het "afval" (pile-up-botsingen) te kijken dat normaal gesproken wordt weggegooid. Ze transformeerden dit tot een nieuwe, schone dataset om naar laag-energetische deeltjes te zoeken. Ze vonden geen nieuwe deeltjes, maar bewezen succesvol dat deze methode werkt en sloten verschillende mogelijkheden uit voor hoe nieuwe fysica er in dat specifieke energiebereik uit zou kunnen zien.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektocht naar Elektroschalen Dijet-resonanties in Pile-up Collisies

Probleemstelling
Conventionele zoektochten naar hadronische resonanties in het sub-TeV massabereik bij de Large Hadron Collider (LHC) worden ernstig beperkt door de overweldigende snelheid van de Standaardmodel (SM) multijet achtergrondprocessen die worden beschreven door Kwantumchromodynamica (QCD). Om de datasnelheden te beheersen, leggen experimenten doorgaans hoge transversale momentum ($p_T$) jet-drempelwaarden op, wat effectief lage-massa resonanties (100–250 GeV) uitsluit van analyse. Hoewel er alternatieve strategieën bestaan—zoals het opslaan van gereduceerde informatie voor trigger-niveau analyse of het vereisen van geassocieerde hoog-$p_T$ initiële-toestandsstraling (ISR) objecten zoals fotonen of jets—lijden deze benaderingen aan intrinsieke beperkingen. Trigger-niveau analyses missen volledige offline reconstructiecapaciteiten, en ISR-gebaseerde zoektochten lijden aan verminderde acceptatie en vertrouwen op specifieke topologische aannames (bijv. $p_T$-gebalanceerde vervalprocessen) die mogelijk niet gelden voor alle nieuwe fysica-modellen, zoals die met dark QCD of gluon-geïnitieerde productie.

Methodologie
Dit artikel presenteert een nieuwe zoekstrategie die gebruikmaakt van een unieke dataset waarbij meerdere proton-proton ($pp$) interacties (pile-up) die binnen hetzelfde bunch-crossing plaatsvinden, afzonderlijk worden gereconstrueerd. De analyse maakt gebruik van data verzameld door de ATLAS-detector tijdens 2016–2018 bij een middencentrum-energie van $\sqrt{s} = 13$ TeV.

• Dataset Constructie: De dataset is afgeleid van events getriggerd door single-elektron of single-muon triggers (met een 26 GeV $p_T$ vereiste). Voor elk geregistreerd bunch-crossing (RBC) wordt de "triggering primary vertex" (TPV)—geassocieerd met het lepton dat de trigger activeerde—geïdentificeerd en verwijderd. De resterende "pile-up primary vertices" (PPV's) worden geanalyseerd als onafhankelijke botsingsgebeurtenissen. Deze methode levert een trigger-onafhankelijke dataset op met een effectieve geïntegreerde luminositeit van 1.30 pb$^{-1}$.
• Object Reconstructie: De analyse maakt gebruik van standaard ATLAS object-reconstructie uitgebreid naar alle primaire vertices. Jets worden gereconstrueerd met het anti-$k_t$ algoritme ($R=0.4$) met Particle Flow Objects (PFO's) als inputs. Een Jet-Vertex Tagger (JVT) wordt toegepast om te waarborgen dat jets consistent zijn met hun geassocieerde vertex.
• Selectiecriteria: Om een trigger-onafhankelijke sample te garanderen, worden de TPV en alle vertices binnen $\Delta z < 2$ mm ge-veto'd. De analyse selecteert PPV's die ten minste twee jets bevatten met $p_T > 17$ GeV en $|\eta| < 2.0$. Aanvullende eisen omvatten geometrische isolatie tussen jets van verschillende vertices, timing-cuts om out-of-time pile-up te verwerpen, en een cut op het rapidity verschil $|y^*| < 0.8$ om resonant signal topologieën te versterken boven de $t$-kanaal QCD-achtergrond.
• Achtergrond Schatting: De niet-resonantie QCD multijet achtergrond wordt gemodelleerd met behulp van een vloeiend dalende functionele vorm die gefit is aan het dijet invariante massa ($m_{jj}$) spectrum. De fit bevat een turn-on term om drempeleffecten te accounten. De compatibiliteit van de data met de achtergrond-alleen hypothese wordt getest met $\chi^2$ $p$-waarden en het BumpHunter algoritme.
• Signaal Modellen: De zoektocht interpreteert de resultaten in de context van:
  1. Een vereenvoudigd dark matter model met een axiale-vector mediator ($Z'$) die koppelt aan quarks.
  2. Een generiek Gaussisch signaalmodel.
  3. SM $W/Z$ boson productie (gemodelleerd als double-Gaussian templates).

Belangrijkste Bijdragen

• Eerste Toepassing van Pile-up voor Dijet Resonanties: Dit werk vormt de eerste toepassing van pile-up botsingen om lage dijet massaschalen te onderzoeken, waarbij wordt aangetoond dat volledige offline reconstructiecapaciteiten behouden kunnen blijven terwijl men toegang krijgt tot een regime dat normaal gesproken verboden is door trigger-drempels.
• Trigger-onafhankelijke Toegang tot Lage Massa: De analyse biedt een dataset met concurrerende statistische kracht voor signaturen met een lage jet trigger-acceptatie, met een factor 30 hogere luminositeit vergeleken met de ATLAS ZeroBias stream en aanzienlijk hogere statistieken dan geprescalede single-jet triggers in het 100–140 GeV massabereik.
• Modelonafhankelijkheid: In tegenstelling tot ISR-gebaseerde zoektochten, rust deze resolved dijet strategie niet op substructuur-selecties of aannames over $p_T$-gebalanceerde vervalprocessen, waardoor de gevoeligheid voor modellen zoals dark QCD behouden blijft (waar een deel van de shower onzichtbaar kan zijn) en voor resonanties die voornamelijk aan gluonen koppelen.

Resultaten

• Achtergrond Compatibiliteit: Het geobserveerde dijet invariante massa spectrum is consistent met de achtergrond-alleen hypothese. De fit levert een $\chi^2$ $p$-waarde van 0.08 op. Er wordt geen significante excess waargenomen boven de achtergrondverwachting.
• Lokale Excessen: Het BumpHunter algoritme identificeerde een lokale excess tussen 106 en 131 GeV met een lokale significantie van $1.7\sigma$ (globale $p$-waarde 0.67). Een specifieke $Z'$ signaal hypothese bij $m_{Z'} = 112$ GeV vertoonde een lokale significantie van $3.0\sigma$, wat overeenkomt met een globale significantie van $2.3\sigma$ na rekening te houden met het look-elsewhere effect; dit wordt niet beschouwd als een ontdekking.
• Exclusie Limieten:
  • $Z'$ Model: Voor een axiale-vector mediator met koppeling $g_q = 0.6$, zijn massa's tussen 135 en 185 GeV uitgesloten op 95% betrouwbaarheidsniveau (CL). De laagst uitgesloten koppeling is $g_q = 0.28$ bij een massa van ongeveer 150 GeV.
  • Gaussisch Model: Bovengrenzen op de cross-section maal acceptatie maal vertakkingsratio ($\sigma \times A \times B$) worden vastgesteld voor Gaussische resonanties met relatieve breedtes van 10–25%. Limieten variëren van 1.5 nb tot 15 nb, afhankelijk van de massa en breedte.
  • SM $W/Z$: Hoewel de analyse gevoelig is voor hadronische $W/Z$ vervalprocessen, wordt er geen significant signaal waargenomen. De 95% CL bovengrens op de opbrengst is consistent met de verwachte SM bijdrage, hoewel de gevoeligheid nabij de drempel ligt die vereist is voor detectie.

Significantie
Het artikel claimt dat deze analyse het bestaande ATLAS lage-massa zoekprogramma complementeert door een inclusieve zoektocht te bieden met volledige object-reconstructie en zonder aannames over initiële-toestandsstraling. Het demonstreert succesvol de haalbaarheid van het gebruik van pile-up botsingen om elektroschale resonanties te onderzoeken, een massabereik dat voorheen ontoegankelijk was voor standaard trigger-gebaseerde dijet zoektochten vanwege prohibitieve achtergrondpercentages. De resultaten stellen concurrerende exclusie-limieten vast voor vereenvoudigde dark matter modellen en generieke resonanties, waarmee de validiteit van de pile-up reconstructie techniek wordt bevestigd als een levensvatbaar instrument om de fysica-bereik van de LHC naar het lage-massa regime uit te breiden.