⚛️ 高能实验

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

利用 138 fb $^{-1}$ 的 13 TeV 质子-质子碰撞数据，CMS 合作组对双喷注共振对的共振与非共振产生进行了搜索，在对双夸克和顶夸克超对称伴子模型设定新限制的同时，观测到了局部显著性分别为 3.9 和 3.6 个标准差的过剩，但在全局范围内这些过剩仍不具备统计学意义。

原作者： CMS Collaboration

发布于 2026-10-15

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CC BY 4.0

原作者： CMS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

宇宙建立在一套被称为“标准模型”的规则之上，这是一个成功描述了构成我们所见一切的基本粒子和作用力的框架。然而，物理学家知道这张地图是不完整的。它无法解释引力、暗物质的本质，或者为什么宇宙是由物质而非反物质组成的。为了寻找缺失的碎片，大型强子对撞机中的科学家们将质子以接近光速的速度撞击在一起，创造出混乱的碎片喷流。他们在这些碎片中搜寻不符合已知规则的模式，寻找可能在碰撞中产生并立即衰变为普通物质喷流的新型重粒子。

在最近的一项研究中，欧洲核子研究中心的 CMS 协作组将注意力转向了一个特定的复杂情景：同时产生两个新粒子，且每个粒子都会立即分解为一对喷流。这比寻找单个新粒子更为复杂，因为它涉及同时出现的四个能量喷流。研究人员分析了 138 万亿次质子-质子碰撞的数据，寻找两种截然不同的可能性。第一种是“共振”过程，即一个巨大的、看不见的母粒子衰变为两个相同的两个新粒子。第二种是“非共振”过程，即两个新粒子在没有母粒子的情况下独立产生。通过检查这四个喷流簇的质量，团队对可能存在的新粒子设定了严格的限制，有效地排除了许多理论设想，同时也保留了一些引人入胜的可能性。

这项搜索聚焦于两种特定类型的假设粒子。对于共振搜索，团队寻找一种被称为“双夸克”（diquark）的重粒子，这种粒子会衰变为两个“矢量型夸克”（vector-like quarks），而每个矢量型夸克随后又分裂成一对喷流。对于非共振搜索，他们寻找的是由“超对称”（supersymmetry）理论预测的“顶夸克伴子”（top squarks）对。数据通过重建粒子的路径和能量进行处理，将它们分组，然后计算四个喷流的总质量。团队必须极其小心地将真实的信号与普通粒子相互作用产生的压倒性背景区分开来，因为后者也会自然产生四个喷流，但其质量分布是平滑且可预测的。

结果既包含了排除，也包含了令人兴奋的暗示。在寻找重双夸克的过程中，研究人员没有发现新粒子的证据，但他们能够排除在特定模型情景下质量低于 7.6 万亿电子伏特的双夸克的存在。这是一项显著的成就，因为它将新物理学可能隐藏的边界推向了比以往测试过的更高的能量标度。同样，在寻找顶夸克伴子的过程中，团队排除了质量在 0.50 到 0.77 万亿电子伏特之间的粒子，仅剩下一个微小的间隙。这些发现显著扩展了以往实验设定的限制，缩小了寻找这些理论粒子的窗口。

尽管缺乏决定性的发现，数据中仍包含了两个脱离背景的罕见事件。这些事件发生在分布的高质量尾部，即四个喷流的总能量约为 8 万亿电子伏特，且两个喷流对的质量约为 2 万亿电子伏特时。如果将这些事件解释为新粒子的信号，它们将代表一个局部显著性为 3.9 个标准差的统计涨落。然而，当研究人员考虑到他们在广泛质量范围内进行搜索这一因素（即所谓的“看向其他地方效应”，look-elsewhere effect）时，全局显著性降至 1.6 个标准差。这意味着，虽然这些事件很有趣且值得进一步研究，但它们尚未强大到足以宣称发现。团队指出，这两个事件连同在相关分析中看到的第三个孤立事件，可能可以用一个宽阔的重共振来解释，但仍需要更多数据来证实这一点。

该研究还检查了非共振搜索中的另一种类型的过剩。在平均质量为 0.95 万亿电子伏特处，数据显示与预测背景相比存在轻微的事件盈余，其局部显著性为 3.6 个标准差。同样，在经过“看向其他地方效应”的修正后，其全局显著性稳定在 2.5 个标准差。这是一个微小的过剩，表明可能存在偏离标准模型的现象，但它尚未达到被视为发现的阈值。研究人员强调，这些涨落可能仅仅是统计上的巧合，并敦促在没有进一步确认的情况下，不要将其解读为新物理学。

最终，这项工作充当了理论模型的严苛过滤器。通过设定产生这些粒子对的精确上限，CMS 团队已经告诉理论学家哪些版本的构想已不再可行。排除掉低于 7.6 万亿电子伏特的双夸克以及 0.50 至 0.77 万亿电子伏特范围内的顶夸克伴子，迫使新的模型要么预测更重的粒子，要么预测不同的相互作用机制。出现的少数几个位于高质量尾部的事件提醒人们，数据仍然蕴含着惊喜，但也凸显了从噪声中分辨真实信号的难度。随着大型强子对撞机继续收集数据，这些罕见事件将被进一步审视，限制也将被进一步推高，从而在迈向理解自然基本法则的漫长而稳健的过程中持续前行。

技术摘要：寻找共振与非共振产生对偶双喷注共振态的研究

问题与动机
本文研究了在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子-质子碰撞中，以对偶双喷注共振态（pairs of dijet resonances）形式存在的超越标准模型（BSM）物理现象。虽然单产出的双喷注共振态（ $pp \to X \to jj$ ）已被广泛研究，但双喷注共振态的对产生（ $pp \to XX \to (jj)(jj)$ ）提供了一个独特的发现通道，特别是对于涉及重中间态或特定超对称场景的模型。本分析针对至少包含四个喷注的末态，并区分了两种产生模式：

共振产生（Resonant Production）： 一个质量巨大的中间粒子 $Y$ 衰变为一对相同的双喷注共振态 $X$ （ $pp \to Y \to XX$ ）。
非共振产生（Nonresonant Production）： 双喷注共振态 $X$ 直接产生，而不经过中间共振态（ $pp \to XX$ ）。

本次特定搜索的动机有两个方面。首先，通过解析双喷注技术（resolved dijet techniques），将研究范围扩展到高质质量共振态（ $M_X > 0.5$ TeV， $M_Y > 2.0$ TeV），从而补充以往针对玻色化（boosted）、低质量对产生的研究。其次，该搜索受到之前一次 CMS 双喷注搜索 [1] 中观察到的一个事件的启发——该事件是一个四喷注质量接近 8 TeV 的共振对产生候选事件，而之前的分析并未针对其进行优化。

方法论
本分析利用了 CMS 检测器在 2016–2018 年期间收集的、对应于 138 fb $^{-1}$ 积分亮度的数据集。

事件重建与选择： 使用粒子流算法（particle-flow algorithm）进行事件重建。使用距离参数为 0.4 的 anti- $k_T$ 算法进行喷注聚类。选择条件要求至少有四个喷注，且满足 $p_T > 80$ GeV 且 $|\eta| < 2.5$ 。
喷注配对： 为了从四个领先喷注中重建两个双喷注系统，算法通过最小化每对喷注之间 $\eta$ - $\phi$ 空间间隔（ $\Delta R$ ）的特定度量，旨在识别比无关联 QCD 喷注更接近的配对。算法选择使 $|\Delta R_1 - 0.8| + |\Delta R_2 - 0.8|$ 最小化的配对方式。
运动学变量： 分析引入了一个无量纲变量 $\alpha = m_{jj} / m_{4j}$ ，其中 $m_{jj}$ 是平均双喷注质量， $m_{4j}$ 是四喷注质量。该变量用于对数据进行分箱，以创建用于背景估计的无偏一维分布，从而避免了直接进行 $m_{4j}$ 对 $m_{jj}$ 分箱时出现的“塑造”（sculpting）效应。
背景估计： 背景完全通过数据驱动的方法从数据中导出。使用经验函数形式（具体为改进型双喷注函数 ModDijet-3p）拟合观测到的各 $\alpha$ 分箱内的质量分布。使用伪实验验证拟合优度。
信号模型：
- 共振搜索： 以双夸克模型为基准，该模型涉及一个标量双夸克 $S$ 衰变为一对矢量夸克 $\chi$ ，随后 $\chi$ 衰变为一个夸克和一个胶子（ $S \to \chi\chi \to (ug)(ug)$ ）。
- 非共振搜索： 以 R-宇称破坏（RPV）超对称理论为基准，特别是顶夸克 $\tilde{t}$ 的对产生，其衰变为下夸克和奇夸克（ $\tilde{t}\tilde{t}^* \to (ds)(ds)$ ）。
统计分析： 使用多分箱计数实验似然法来设定限制并估计显著性。系统误差（喷注能量标度、分辨率、亮度以及背景建模）作为干扰参数（nuisance parameters）进行处理。使用修正频率派准则（ $CL_s$ ）来设定 95% 置信水平（CL）的上界。

关键结果

共振搜索：
- 在分布尾部观察到两个四喷注质量分别为 8.0 TeV 和 7.9 TeV、平均双喷注质量约为 2 TeV 的事件。
- 若解释为质量为 8.6 TeV、衰变为 2.1 TeV 双喷注共振态的四喷注共振信号，这些事件产生的局部显著性为 3.9 个标准差（ $\sigma$ ），考虑来看得效应（look-elsewhere effect）后的全局显著性为 1.6 $\sigma$ 。
- 设定了模型无关的产生截面上限。对于真实质量比 $\alpha_{true} = 0.25$ 的基准双夸克模型，在 95% CL 下排除了质量低于 7.6 TeV（观测值）和 7.8 TeV（预期值）的双夸克。
- 进行了对宽共振态（宽度高达 10%）的扩展研究。无论宽度如何，8.6 TeV 处的过剩显著性始终保持较高水平（3.6–3.9 $\sigma$ ），且宽共振态的解释仍与数据相容。
非共能搜索：
- 最显著的背景之上过剩出现在平均双喷注质量为 0.95 TeV 处。
- 这产生了 3.6 $\sigma$ 的局部显著性和 2.5 $\sigma$ 的全局显著性。
- 除 0.52 至 0.58 TeV 之间的极小区间外，质量在 0.50 TeV 至 0.52 TeV 以及 0.58 TeV 至 0.77 TeV 之间的顶夸克在 95% CL 下被排除。这显著扩展了此前的限制（此前限制最高至 0.52 TeV）。

显著性与主张
本文声称提出了首个关于通过高质中间态产生双喷注共振态的对产生限制。这是 CMS 首次搜索此类特定拓扑结构。

关于观察到的过剩，作者保持了谨慎的语气。虽然局部显著性（共振为 3.9 $\sigma$ ，非共振为 3.6 $\sigma$ ）值得关注，但全局显著性（分别为 1.6 $\sigma$ 和 2.5 $\sigma$ ）尚不足以宣布发现。文中明确指出，“需要更多数据来确定这些事件是否是信号的第一迹象”。研究结果被呈现为对特定 BSM 模型（双夸克和 RPV SUSY）的约束，以及作为四喷注末态对高质共振态敏感性的证明，而非对新物理的确定性发现。文章总结道，观察到的事件是值得进一步研究的有趣候选对象，需结合更高的亮度与碰撞能量进行调查。

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