Search for dark matter in a signature with a four-prong large-radius jet in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumo Técnico: Busca por Matéria Escura em uma Assinatura com um Jet de Raio Grande de Quatro Prongs

Problema e Motivação
Embora a natureza da matéria escura (DM) permaneça desconhecida, extensões ao Modelo Padrão (SM) frequentemente preveem um "setor escuro" contendo partículas adicionais, potencialmente de vida longa. Este artigo investiga uma assinatura específica de DM não prompta onde candidatos a DM são produzidos em associação com radiação do estado inicial (ISR). O modelo de sinal postula um mediador vetorial ou axial-vetorial pesado ($Y_1$) que acopla o SM a um setor escuro. Este mediador decai em um par de férmions de Dirac ($\chi_2$), que são de vida longa e decaem de forma não prompta em uma partícula de matéria escura estável ($\chi_1$) e um bóson escalar leve ($Y_0$). O bóson $Y_0$ decai subsequentemente em um par de quarks do SM.

A assinatura característica envolve a produção de dois $\chi_2$ de vida longa que decaem dentro do detector ("decaimentos deslocados"), gerando atividade hadrônica deslocada acompanhada de um momento transversal ausente significativo ($p_T^{miss}$) proveniente dos dois $\chi_1$ não detectados. Devido ao grande boost de Lorentz do sistema $Y_1$ e às pequenas massas das partículas da cadeia de decaimento, os quatro quarks resultantes dos dois decaimentos de $Y_0$ devem ser altamente colimados. Consequentemente, a análise visa eventos onde esses quatro quarks são reconstruídos como um único jet de raio grande com uma subestrutura de quatro prongs.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante 2016–2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb$^{-1}$.

• Seleção de Eventos: Os eventos são selecionados exigindo pelo menos dois jets de raio grande (AK8) com momento transversal $p_T > 200$ GeV e pseudorapidez $|\eta| < 2.5$. O jet AK8 líder deve ter $p_T > 500$ GeV para garantir alta eficiência de trigger. É exigido um $p_T^{miss}$ mínimo de 200 GeV para suprimir backgrounds do SM que carecem de energia ausente genuína. Eventos contendo léptons reconstruídos (elétrons, múons ou taus hadrônicos) são rejeitados.
• Tagging de Jets: Um classificador baseado em Redes Neurais de Grafos (GNN) é empregado para identificar jets semelhantes ao sinal. A rede utiliza uma arquitetura de rede de interação que constrói um grafo a partir dos constituintes do jet (partículas) e informações de vértice secundário. Esta abordagem modela explicitamente a informação relacional entre partículas, o que é crucial para identificar as correlações não triviais introduzidas por topologias deslocadas. A GNN é treinada em jets de sinal simulados (abrangendo várias massas de mediadores e tempos de vida) e jets de background de multijets QCD.
• Definição da Região de Sinal (SR): A SR é definida selecionando eventos onde o jet AK8 líder possui uma massa ungroomed PUPPI superior a 40 GeV e um score de tagger GNN $s_{GNN} > 0.8$.
• Estimativa de Background:
  • Multijets QCD: Estimado usando uma Região de Controle (CR) com $0.4 < s_{GNN} < 0.8$. Fatores de transferência (TFs) derivados de simulação são usados para extrapolar o rendimento de QCD do CR para a SR.
  • W + Jets: Estimado usando um CR contendo exatamente um lépton e um jet AK8 com $0.4 < s_{GNN} < 0.8$.
  • Z + Jets: Estimado usando um CR com eventos $Z(\to \ell\ell) + \text{jets}$, utilizando o vetor de recuo hadrônico para emular a distribuição de $p_T^{miss}$ de $Z(\to \nu\nu) + \text{jets}$.
  • Backgrounds Subdominantes: A produção de quarks top e processos diboson são estimados usando simulação de Monte Carlo.
• Análise Estatística: Uma análise de máxima verossimilhança em bins é realizada na distribuição de $p_T^{miss}$ na SR. Incertezas sistemáticas, incluindo aquelas relacionadas à escala/resolução de energia do jet, eficiência do tagger GNN (validada via reponderação do plano de jet de Lund) e flutuações estatísticas dos fatores de transferência, são incorporadas como parâmetros de incerteza (nuisance parameters).

Principais Contribuições

• Primeira Busca em Topologia Deslocada com Boost: Este trabalho apresenta a primeira busca para um par de candidatos a matéria escura não prompta em uma topologia de Lorentz-boosted caracterizada por um jet de raio grande e grande $p_T^{miss}$.
• Aplicação de GNNs a Jets Deslocados: A análise estende o uso de taggers de jet baseados em GNN, anteriormente aplicados a assinaturas multiprong promptas, para jets de raio grande deslocados. Ela valida o uso de informações de vértice secundário dentro da estrutura do grafo para aumentar a sensibilidade a decaimentos não prontos.
• Modelagem Abrangente de Background: O estudo emprega uma abordagem baseada em dados para os backgrounds dominantes (QCD, W+jets, Z+jets) usando regiões de controle dedicadas e fatores de transferência, garantindo robustez contra incertezas de simulação.

Resultos
Nenhum excesso significativo de eventos sobre a expectativa do Modelo Padrão é observado no espectro de momento transversal ausente. Limites superiores ao nível de confiança de 95% CL são estabelecidos para a força do sinal ($\mu = \sigma/\sigma_{teoria}$) como funções da massa do mediador ($m_{Y_1}$) e da força de acoplamento ($g_{\chi_2\chi_1Y_0}$). Os limites observados concordam com os limites esperados dentro de duas desvios padrão. A análise exclui hipóteses de sinal específicas correspondentes ao espaço de parâmetros testado, conforme detalhado nos cenários de referência (Tabela 1) e Figura 4.

Significância
O artigo reivindica significância como a busca inaugural para esta assinatura experimental específica: um par de candidatos a matéria escura não prompta produzida em uma topologia de Lorentz-boosted. Ao reconstruir com sucesso o decaimento de mediadores leves em quatro quarks como um único jet de raio grande e utilizar técnicas avançadas de aprendizado de máquina para identificar subestruturas deslocadas, a análise demonstra a capacidade do detector CMS de investigar modelos complexos de setores escuros envolvendo partículas de vida longa. Os resultados restringem o espaço de parâmetros do modelo simplificado sob investigação, especificamente excluindo regiões definidas pelas massas de mediadores e forças de acoplamento testadas.