⚛️ high-energy experiments

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

Utilizando 140 fb $^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a 13 TeV, o experimento ATLAS conduziu uma busca por jatos emergentes em topologias de quatro jatos e não encontrou excesso significativo sobre o fundo do Modelo Padrão, estabelecendo limites de exclusão em massas de mediadores entre 1 e 2 TeV para parâmetros específicos do setor escuro.

Autores originais: ATLAS Collaboration

Publicado 2026-07-16

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CC BY 4.0

Autores originais: ATLAS Collaboration

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine o universo como uma cidade gigante e movimentada, onde a maioria dos edifícios é feita de um material familiar e visível chamado matéria do "Modelo Padrão". Conhecemos bem esta cidade; mapeamos suas ruas e nomeamos seus cidadãos. Mas os astrônomos há muito suspeitam que esta cidade visível é apenas a ponta do iceberg. Escondida sob as ruas, em uma vasta e invisível rede subterrânea, reside um "Setor Escuro". Não podemos vê-lo diretamente porque seus habitantes não interagem com a luz ou com as forças que usamos para construir nosso mundo. No entanto, sabemos que esta cidade escura deve existir porque sua gravidade mantém a cidade visível unida, impedindo-a de se despedaçar. O grande mistério é: como é essa cidade escura? É um vazio silencioso e vazio, ou é uma metrópole caótica com suas próprias leis físicas complexas, suas próprias partículas e sua própria arquitetura estranha?

Os cientistas estão particularmente interessados em uma teoria chamada "QCD Escura". Em nosso mundo visível, uma força chamada Cromodinâmica Quântica (QCD) atua como uma cola superforte, unindo minúsculas partículas chamadas quarks para formar prótons e nêutrons. A teoria da QCD Escura sugere que o setor escuro oculto possui sua própria versão dessa cola, criando seus próprios "quarks escuros" que se agrupam para formar "hádrons escuros". A parte emocionante é que essas partículas escuras podem não permanecer escondidas para sempre. Elas poderiam ocasionalmente decair, transformando-se em nossas partículas familiares e deixando para trás uma assinatura muito específica e estranha: um jato de partículas que parece surgir do nada no meio de um detector, longe de onde a colisão começou. Estes são chamados de "jatos emergentes", e encontrá-los seria como descobrir uma estação de metrô secreta que só abre suas portas por uma fração de segundo antes de desaparecer novamente.

Este artigo é um relatório do experimento ATLAS, um detector de partículas massivo no Grande Colisor de Hádrons (LHC) na Suíça. A equipe atuou como detetives cósmicos, vasculhando uma montanha de dados de 140 bilhões de bilhões de colisões de prótons (140 fb⁻¹) que ocorreram entre 2015 e 2018. Eles estavam caçando um cenário específico: um par de partículas "mediadoras" pesadas e invisíveis (pense nelas como mensageiros escuros) sendo criadas em uma colisão. Esses mensageiros decairiam instantaneamente em uma mistura de partículas normais e partículas escuras. As partículas escuras então viajariam uma curta distância dentro do detector antes de se transformarem em um spray de partículas normais, criando um "jato" que parece estar emergindo do nada, completo com múltiplos "vértices deslocados" (pontos onde a decaimento aconteceu longe do centro).

Para encontrar esses sinais elusivos, os cientistas não apenas procuraram por uma coisa; eles construíram um sofisticado "detetive digital" de dois estágios usando aprendizado de máquina. Primeiro, eles treinaram um computador para reconhecer a forma e a estrutura únicas de um único jato que poderia estar escondendo segredos escuros. Em seguida, treinaram um segundo computador para observar todo o evento, verificando se os quatro jatos da colisão correspondiam ao padrão de um par de mensageiros escuros decaindo. Eles compararam suas descobertas contra um enorme fundo de colisões de partículas comuns, que são como a multidão barulhenta em um show que pode facilmente abafar um sussurro.

O resultado desta busca massiva? Os detectores permaneceram em silêncio. A equipe não encontrou evidências de jatos emergentes. O número de eventos que viram coincidiu perfeitamente com as previsões da física comum, sem que quaisquer excessos misteriosos surgissem. Como não encontraram o sinal, não puderam provar que os mensageiros escuros existem, mas fizeram algo igualmente importante: desenharam um mapa muito restrito de onde esses mensageiros não podem estar. Eles descartaram a existência desses mediadores escuros específicos se eles tiverem massas entre 1 e 2 TeV (uma unidade de massa-energia) e se as partículas escuras que eles criam tiverem um tempo de vida específico de 20 mm. Em outras palavras, se esses mensageiros escuros existem, eles são muito mais pesados do que 2 TeV, ou se comportam de uma maneira totalmente diferente do modelo que os cientistas estavam testando. A busca continua, mas, por enquanto, esta versão específica da cidade escura permanece oculta.

Resumo Técnico: Busca por Jets Emergentes em Colisões $pp $a$ \sqrt{s}=13$ TeV no Experimento ATLAS

Problema e Motivação
Apesar da extensa evidência de Matéria Escura (DM), sua natureza de partícula permanece desconhecida. Modelos teóricos propõem um "Setor Escuro" (DS) governado por um grupo de gauge confinante análogo à Cromodinâmica Quântica (QCD), frequentemente denominado "Dark QCD". Em tais modelos, quarks escuros ( $Q_d$ ) hadronizam em mésons escuros (píons escuros, $\pi_d$ ) e bárions. Embora bárions escuros estáveis possam constituir a DM, mésons escuros instáveis podem decair de volta para partículas do Modelo Padrão (SM) através de um mediador escalar pesado ( $\phi$ ). Dependendo do tempo de vida dos píons escuros, esses decaimentos produzem assinaturas distintas: jets prompt, jets semi-visíveis (contendo energia transversal faltante) ou "jets emergentes" (EJs). Os EJs são caracterizados por uma alta multiplicidade de hádrons escuros de vida longa que decaem dentro do volume do detector, produzindo múltiplos vértices deslocados (DVs) contidos dentro de um único cone de jet. Este artigo apresenta uma busca por EJs decorrentes da produção pareada de mediadores escalares, um cenário não totalmente coberto por buscas anteriores de jets prompt ou semi-visíveis.

Metodologia
A análise utiliza 140 fb $^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a $\sqrt{s}=13$ TeV coletados pelo detector ATLAS entre 2015 e 2018 (Run 2).

Modelo de Sinal: A busca visa a produção pareada de mediadores escalares bifundamentais ( $\phi$ ) via aniquilação $q\bar{q}$ e fusão de glúon-glúon. Cada mediador decai em um quark escuro e um quark do SM. O quark escuro sofre um banho (shower) no setor escuro, produzindo um spray colimado de píons escuros que decaem em quarks down do SM ( $\pi_d \to d\bar{d}$ ) com um tempo de vida macroscópico. A topologia do estado final consiste em quatro jets: dois jets do SM e dois jets emergentes. A análise assume um modelo não saborizado onde o mediador acopla-se apenas a quarks down do SM.
Reconstrução de Eventos: A reconstrução de trilhas padrão do ATLAS é suplementada por um algoritmo dedicado de "Large Radius Tracking" (LRT) para recuperar trilhas com grandes parâmetros de impacto ( $|d_0| < 300$ mm). Vértices deslocados secundários (DVs) são reconstruídos usando tanto trilhas padrão quanto LRT, sujeitos a critérios de seleção rigorosos para rejeitar o background proveniente de interações de matéria e partículas do SM de vida longa (ex: $K^0_S$ ).
Seleção de Eventos: Os eventos são disparados (triggered) em pelo menos quatro jets com $p_T > 120$ GeV. A seleção offline exige que a soma escalar dos quatro principais $p_T$ de jet ( $H_T$ ) exceda 1 TeV. Uma variável fundamental é a Fração de Trilhas Prompt (PTF), calculada para os jets para distinguir jets do tipo SM de jets que contêm trilhas deslocadas. Os eventos devem conter pelo menos um DV correspondente a um jet.
Estratégia de Classificação: Um classificador de Árvore de Decisão Potencializada (BDT) de dois estágios é empregado. O primeiro estágio opera ao nível do jet utilizando observáveis como massa do jet, largura e energia. O segundo estágio opera ao nível do evento, utilizando os scores de BDT dos quatro principais jets, $H_T$ , PTF mínimo, multiplicidade de jets e esfericidade transversal ( $S_T$ ).
Estimativa de Background: O background dominante é a produção de multijets QCD, que é difícil de modelar com precisão em simulação. Uma abordagem totalmente baseada em dados, baseada em um método ABCD modificado, é utilizada. O plano ABCD é definido pela resposta de BDT ao nível do evento ( $R$ ) e pelo número de vértices deslocados correspondentes a jets ( $N_{DV}$ ). A região de sinal (SR) é definida por alto $R$ e alto $N_{DV}$ , enquanto regiões de controle (CRs) são usadas para estimar o rendimento de background na SR. Um ajuste linear é aplicado para corrigir as correlações entre as variáveis. Duas regiões de validação (Low- $H_T$ e Shifted-ABCD) confirmam o método de estimativa de background.

Principais Contribuições

Nova Estratégia de Busca: Esta análise estende a busca por assinaturas de Dark QCD para a topologia de jets emergentes no estado final de quatro jets, visando especificamente a produção pareada de mediadores escalares. Ela complementa buscas anteriores de Run 2 e Run 3 que focaram em mediadores vetoriais ressonantes ou topologias de dois jets.
Aprendizado de Máquina Avançado: A implementação de um classificador BDT de dois estágios separa efetivamente a assinatura complexa de EJ do esmagador background de multijets QCD, aproveando tanto a subestrutura do jet quanto variáveis de forma global do evento.
Estimativa de Background Robusta: A aplicação de um método ABCD modificado com extrapolação linear permite uma estimativa de background precisa e baseada em dados em uma região onde a simulação é pouco confiável, validada através de múltiplas regiões de controle e validação.
Tratamento de Incerteza Sistemática: A análise inclui um tratamento abrangente das incertezas sistemáticas, particularmente aquelas relacionadas à reconstrução de trilhas e vértices deslocados (LRT), que são a principal fonte de incerteza para modelos de sinal de vida longa.

Resultos
Nenhum excesso significativo de eventos acima da expectativa de background do Modelo Padrão foi observado.

Observado vs. Esperado: Na região de sinal, 103 eventos foram observados comparados a um background previsto de $112 \pm 6$ (estat) $\pm 4$ (sist).
Limites de Exclusão: Limites superiores ao nível de confiança de 95% (CL) foram estabelecidos para a seção de choque de produção pareada do mediador escalar ( $\sigma(pp \to \phi^\dagger\phi)$ $σ (pp \to ϕ^{†} ϕ)$ ).
- Para píons escuros com um comprimento de decaimento próprio ( $c\tau_{\pi_d}$ ) de 20 mm e uma massa ( $m_{\pi_d}$ ) de 20 GeV, massas de mediadores são excluídas no intervalo de 1 a 2 TeV.
- Especificamente, para $m_{\pi_d} = 20$ GeV e $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, massas de mediadores até 2,00 TeV são excluídas.
- Para $m_{\pi_d} = 10$ GeV e $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, massas até 1,99 TeV são excluídas.
- Para $m_{\pi_d} = 5$ GeV e $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm, massas até 1,95 TeV são excluídas.
Dependência do Tempo de Vida: A sensibilidade é mais alta para tempos de vida intermediários ( $2 \text{ mm} < c\tau_{\pi_d} < 100 \text{ mm}$ ). A sensibilidade diminui para tempos de vida muito curtos (devido ao deslocamento reduzido) e muito longos (devido a decaimentos ocorrendo fora da aceitação do tracker).
Comparação com CMS: Os resultados são comparados com buscas recentes do CMS para jets emergentes. Enquanto o CMS estabelece limites mais rigorosos em tempos de vida muito baixos e muito altos usando uma Rede Neural de Grafos (GNN), esta análise do ATLAS demonstra sensibilidade competitiva na faixa de tempo de vida intermediário ($2-300$ mm).

Significância
Este artigo estabelece os limites mais rigorosos até o momento para a produção pareada de novos mediadores escalares na topologia de jets emergentes para configurações específicas de massa e tempo de vida. Ao sondar seções de choque um fator de dois menores que as buscas anteriores do ATLAS na topologia de quatro jets, esta análise restringe significativamente o espaço de parâmetros de modelos de Dark QCD. O resultado nulo impõe restrições fortes à existência de setores escuros com simetrias do tipo QCD e mediadores escalares acoplando-se a quarks do tipo down, particularmente para massas de mediadores até 2 TeV e tempos de vida de píons escuros em torno de 20 mm. A metodologia, particularmente a estimativa de background baseada em dados e o classificador de ML de dois estágios, fornece um framework robusto para futuras buscas de partículas de vida longa em ambientes de jets complexos.

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