⚛️ high-energy experiments

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

利用 140 fb $^{-1}$ 的 13 TeV 质子-质子碰撞数据，ATLAS 实验在四喷注拓扑结构中对涌现喷注进行了搜索，并发现相对于标准模型背景没有显著过剩，从而在特定的暗区参数下，对 1 到 2 TeV 之间的媒介子质量设定了排除限制。

原作者： ATLAS Collaboration

发布于 2026-07-16

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CC BY 4.0

原作者： ATLAS 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

想象一下，宇宙就像一座巨大而繁忙的城市，其中大多数建筑都是由一种我们熟悉的、可见的材料——“标准模型”物质构成的。我们对这座城市了如指掌；我们绘制了它的街道，并为它的居民命名。但天文学家长期以来一直怀疑，这座可见的城市仅仅是冰山一角。在街道之下，在一个广阔且隐形的地下网络中，存在着一个“暗区”。我们无法直接看到它，因为它的居民不与光或我们用来构建世界的力进行相互作用。然而，我们知道这个暗之城一定存在，因为它的引力将可见的城市维系在一起，防止其分崩离析。巨大的谜题在于：这个暗之城看起来是什么样子的？它是一个安静、空旷的虚空，还是一个拥有自身复杂物理定律、自身粒子和奇异建筑的混乱大都市？

科学家们对一个被称为“暗QCD”的理论特别感兴趣。在我们的可见世界中，一种被称为量子色动力学（QCD）的力量就像一种超强的胶水，将被称为夸克的微小粒子结合在一起，形成质子和中子。暗QCD理论表明，隐藏的暗区拥有它自己的版本这种“胶水”，创造了它自己的“暗夸克”，这些夸克聚集在一起形成“暗强子”。令人兴奋的部分在于，这些暗粒子可能不会永远隐藏下去。它们偶尔会发生衰变，转化为我们熟悉的粒子，并留下一个非常特定且奇特的信号：一个似乎在探测器中间凭空产生的粒子喷流，远离碰撞开始的地方。这些被称为“涌现喷注”（emerging jets），发现它们就像是发现了一个秘密的地铁站，它只会在极短的时间内开启大门，然后随即消失。

这篇论文是来自ATLAS实验的报告，该实验是位于瑞士大型强子对撞机（LHC）上的一个巨型粒子探测器。团队扮演着宇宙侦探的角色，从2015年至2018年间发生的140亿亿次质子碰撞（140 fb⁻¹）产生的海量数据中进行筛选。他们正在寻找一种特定的情景：一对沉重的、不可见的“媒介子”（可以想象成暗物质信使）在碰撞中被产生。这些信使会立即衰变为普通粒子和暗粒子的混合物。随后，这些暗粒子会在探测器内部飞行一段距离，然后转化为一簇普通粒子的喷雾，从而创造出一个看起来像是从虚空中涌现出来的“喷注”，并伴随着多个“位移顶点”（即衰变发生的点远离中心的位置）。

为了寻找这些难以捉摸的信号，科学家们不仅仅是在寻找单一事物，他们还构建了一个复杂的两阶段“数字侦探”系统，利用机器学习技术。首先，他们训练了一台计算机来识别可能隐藏着暗物质秘密的单个喷注的独特形状和结构。然后，他们训练了第二台计算机来观察整个事件，检查碰撞中的四个喷注是否符合一对暗媒介子衰变的模式。他们将发现的结果与大规模的普通粒子碰撞背景进行了对比，这些背景碰撞就像音乐会上嘈杂的人群，很容易淹没细微的耳语。

这次大规模搜索的结果如何？探测器保持了沉默。他们没有发现涌现喷注的证据。他们观察到的事件数量与普通物理学的预测完全吻合，没有任何神秘的异常现象凸显出来。由于没有发现信号，他们无法证明这些暗媒介子是否存在，但他们也做了同样重要的工作：他们绘制了一张关于这些媒介子“不可能存在于何处”的极其精确的地图。他们排除了这些特定暗媒介子的存在，如果它们的质量在1到2 TeV（一个质量能量单位）之间，且它们产生的暗粒子具有特定的20 mm寿命。换句话说，如果这些暗媒介子确实存在，那么它们的质量要么远大于2 TeV，或者它们的行为方式与科学家们测试的模型完全不同。搜索仍在继续，但目前来看，这个特定版本的暗之城依然隐藏着。

技术摘要：ATLAS 实验中 $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ 碰撞中新兴喷注的搜索

问题与动机
尽管已有大量关于暗物质（DM）的证据，但其粒子性质仍然未知。理论模型提议了一种由类似于量子色动力学（QCD）的禁闭规范群控制的“暗部门”（Dark Sector, DS），通常被称为“暗 QCD”。在这些模型中，暗夸克（ $Q_d$ ）通过强子化形成暗介子（暗 $\pi$ ， $\pi_d$ ）和暗重子。虽然稳定的暗重子可以构成暗物质，但不稳定的暗介子可能通过重标量媒介子（ $\phi$ ）衰变为标准模型（SM）粒子。取决于暗 $\pi$ 的寿命，这些衰变会产生截然不同的信号：瞬发暗喷注、半可见喷注（包含缺失横动量）或“新兴喷注”（Emerging Jets, EJs）。EJs 的特征是在单个喷注锥内包含高多重度的长寿命暗强子，这些强子在探测器体积内发生衰变。本文展示了对新兴喷注的搜索，这些喷注源自标量媒介子的对产生，这一场景在以往针对瞬发或半可见喷注的搜索中未被充分覆盖。

方法论
本分析利用了 ATLAS 探测器在 2015 年至 2018 年（Run 2）期间收集的 140 fb $^{-1}$ $\sqrt{s}=13$ TeV 质子-质子碰撞数据。

信号模型： 搜索目标是通过 $q\bar{q}$ 湮灭和胶子-胶子融合产生的双基本标量媒介子（ $\phi$ ）的对产生。每个媒介子衰变为一个暗夸克和一个标准模型夸克。暗夸克在暗部门中进行喷淋，产生一个由衰变为标准模型下夸克（ $\pi_d \to d\bar{d}$ ）且具有宏观寿命的紧凑暗 $\pi$ 喷射。最终态拓扑结构由四个喷注组成：两个标准模型喷注和两个新兴喷注。分析假设了一个未标记味（unflavored）的模型，即媒介子仅与标准模型下夸克耦合。
事件重建： 标准 ATLAS 径迹重建得到了专门的“大半径径迹”（Large Radius Tracking, LRT）算法的补充，以恢复具有大冲击参数（ $|d_0| < 300$ mm）的径迹。次级位移顶点（DVs）使用标准径迹和 LRT 径迹进行重建，并受到严格的选择标准限制，以排除来自物质相互作用和长寿命标准模型粒子（如 $K^0_S$ ）的背景。
事件选择： 事件基于至少四个 $p_T > 120$ GeV 的喷注进行触发。离线选择要求四个领先喷注的标量和（ $H_T$ ）超过 1 TeV。一个关键变量是喷注的瞬发径迹分数（Prompt Track Fraction, PTF），用于区分类标准模型喷注与包含位移径迹的喷注。事件必须包含至少一个与喷注匹配的 DV。
分类策略： 采用了两阶段提升决策树（BDT）分类器。第一阶段在喷注层面运行，利用喷注质量、宽度和能量等观测值。第二阶段在事件层面运行，利用四个领先喷注的 BDT 分数、 $H_T$ 、最小 PTF、喷注多重度和横向球形度（ $S_T$ ）。
背景估计： 主要背景是 QCD 多喷注产生，这在模拟中难以准确建模。采用了一种基于改进 ABCD 方法的全数据驱动方法。ABCD 平面由事件级 BDT 响应（ $R$ ）和与喷注匹配的位移顶点数量（ $N_{DV}$ ）定义。信号区（SR）由高 $R$ 和高 $N_{DV}$ 定义，而控制区（CR）用于估计 SR 中的背景产额。应用线性拟合来修正变量之间的相关性。两个验证区（低 $H_T$ 和偏移 ABCD）证实了背景估计方法的有效性。

主要贡献

新颖的搜索策略： 本分析将对暗 QCD 信号的搜索扩展到了四喷注末态中的新兴喷注拓扑，特别针对对产生的标量媒介子。它补充了以往关注矢量媒介子或两喷注拓扑的 Run 2 和 Run 3 搜索。
先进的机器学习： 实现的二阶段 BDT 分类器能有效地将复杂的 EJ 信号从压倒性的 QCD 多喷注背景中分离出来，充分利用了喷注子结构和全局事件形状变量。
稳健的背景估计： 应用了带有线性外推的改进 ABCD 方法，从而在模拟不可靠的区域实现了精确的数据驱动背景估计，并通过多个控制区和验证区进行了验证。
系统不确定性处理： 分析包含了对系统不确定性的全面处理，特别是与位移径迹和顶点（LRT）重建相关的部分，这是长寿命信号模型的主要不确定性来源。

结果
未观察到相对于标准模型背景预期的显著事件超额。

观测值 vs 预期值： 在信号区，观测到 103 个事件，而预测背景为 $112 \pm 6$ (stat) $\pm 4$ (syst)。
排除极限： 在 95% 置信水平（CL）下，对标量媒介子的对产生截面（ $\sigma(pp \to \phi^\dagger\phi)$ $σ (pp \to ϕ^{†} ϕ)$ ）设置了上限。
- 对于暗 $\pi$ 的固有衰变长度（ $c\tau_{\pi_d}$ ）为 20 mm 且质量（ $m_{\pi_d}$ ）为 20 GeV，排除的媒介子质量范围为 1 至 2 TeV。
- 特别地，对于 $m_{\pi_d} = 20$ GeV 且 $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm，排除的质量高达 2.00 TeV。
- 对于 $m_{\pi_d} = 10$ GeV 且 $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm，排除的质量高达 1.99 TeV。
- 对于 $m_{\pi_d} = 5$ GeV 且 $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm，排除的质量高达 1.95 TeV。
寿命依赖性： 敏感度在中间寿命范围内（ $2 \text{ mm} < c\tau_{\pi_d} < 100 \text{ mm}$ ）最高。由于位移减小，极短寿命的敏感度降低；由于衰变发生在径迹器接受范围之外，极长寿命的敏感度也会降低。
与 CMS 的比较： 将结果与最近的 CMS 新兴喷注搜索进行了比较。虽然 CMS 使用图神经网络（GNN）在极低和极高寿命处设定了更严格的限制，但本 ATLAS 分析在中间寿命范围（2-300 mm）内展示了具有竞争力的敏感度。

意义
本文针对特定的质量和寿命配置，建立了迄今为止对新兴喷注拓扑中新标量媒介子对产生的最严格限制。通过在四喷注拓扑中探测比以往 ATLAS 搜索小一个数量级的截面，本分析显著限制了暗 QCD 模型的参数空间。零结果对具有 QCD 类对称性和耦合到下型夸克的标量媒介子的暗部门的存在提出了强有力的约束，特别是对于质量高达 2 TeV 且暗 $\pi$ 寿命在 20 mm 左右的情况。该方法论，特别是数据驱动的背景估计和二阶段机器学习分类器，为未来在复杂喷注环境中的长寿命粒子搜索提供了一个稳健的框架。

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