Search for low-mass resonances decaying to $\tau\tau$ and measurement of the $\Upsilon$ $\to$ $\tau\tau$ decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

利用 13.6 TeV 质心能量下采集的 61.9 fb$^{-1}$ 质子 - 质子对撞数据，CMS 合作组在 20–60 GeV 质量范围内对衰变至 $\tau\tau$ 的低质量自旋为零共振态进行了包容性搜索，观测到了 $\Upsilon \to \tau\tau$ 衰变（显著性为 5.8$\sigma$），同时为任何新共振态的产生截面与分支比乘积设定了 95% 置信度上限。

要点

想象一下，大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子粉碎器。它以接近光速的速度将两束质子相互对撞，产生一片混乱的碎片爆炸。通常，科学家们寻找的是像希格斯玻色子那样“巨大”的新粒子，它们质量大且稀有。

本文讲述的是另一种搜寻：寻找那些可能大摇大摆地隐藏在视线中的轻量级、不可见的幽灵。

以下是这项搜寻的故事，分解为简单的概念：

1. 谜团：寻找“微小”的新粒子

科学家们知道标准模型（粒子物理的规则手册）运作良好，但它无法解释一切。一些理论表明，存在其他更轻的粒子（称为$\phi$玻色子），它们比希格斯玻色子小得多。

将希格斯玻色子想象成一块沉重的巨石。这些新粒子则像羽毛。问题在于，在对撞机嘈杂、拥挤的环境中，羽毛极难被发现，因为它们会淹没在更重的碎片海洋中。

2. 挑战：“噪声”问题

当这些轻粒子衰变时，它们会转化为陶轻子（一种重电子）。但由于原始粒子非常轻，产生的陶轻子很“懒”——它们移动得既不快也不远。

在常规实验中，计算机系统（触发器）就像夜店里的门卫。它只允许那些移动迅速且具有高能量的事件进入。由于这些“羽毛”粒子移动缓慢，门卫通常会在它们被记录之前就将它们拒之门外。这就像试图在摇滚音乐会上听到耳语：音量调得太高，导致微弱的声音被过滤掉了。

3. 解决方案：“侦察”相机

为了解决这个问题，CMS 团队使用了一种称为数据侦察（Data Scouting）的特殊技术。

想象一下，大型强子对撞机是一条繁忙的高速公路。标准的相机只拍摄高速赛车（高能事件）的照片。侦察系统则像是一个高速、低分辨率的监控摄像头，它拍摄所有东西，甚至包括缓慢移动的自行车。

• 技巧：侦察系统不保存碰撞的每一个细节（这会占用太多空间），而是只保存事件的“本质”。这使得他们能够记录比平时多四倍的事件。
• 新算法：他们还构建了一种新的“手电筒”（重建算法），专门用于捕捉那些旧手电筒错过的缓慢、低能量的陶轻子。

4. 发现：寻找“尤普西隆”

在寻找新的“羽毛”粒子之前，团队需要证明他们的新手电筒是有效的。他们寻找的是已知存在的东西：尤普西隆（$\Upsilon$）介子。

将尤普西隆想象成一个已知的、重的粒子家族，它也会衰变成缓慢的陶轻子。这就像在一个你已知埋有硬币的公园里测试新的金属探测器。

• 结果：他们成功发现了衰变成陶轻子对的尤普西隆介子。
• 意义：他们以5.8 个西格玛（5.8 sigma）的统计确定性发现了它们。在物理学界，这就像抛硬币，在理论上不可能连续出现正面的情况下，连续出现了 5.8 次正面。这是一个明确的“是的，我们找到了！”的信号。

他们测量了这种情况发生的频率（产生截面），发现它与他们的预期完全吻合。这证明了他们新的“低能”工具在强子对撞机的混乱环境中是有效的。

5. 寻找新物理：“羽毛”搜寻

既然他们知道工具有效，他们就开始在20 到 60 GeV的质量范围内寻找未知的$\phi$玻色子。

• 方法：他们扫描数据，寻找质量分布中的“隆起”——即事件发生数量突然超过背景噪声预测的尖峰。
• 结果：未发现新粒子。数据看起来与标准模型的预测完全一致。没有神秘的“羽毛”隐藏在噪声中。

6. 结论：划定边界

即使他们没有发现新粒子，这篇论文也是一次成功。

• 首次：这是第一次有人在强子对撞机上寻找这些特定的衰变成陶轻子的低质量粒子。
• 限制：他们在这些粒子可能存在的可能性周围筑起了一道“围栏”。现在他们可以 95% 地确信，如果这些粒子存在，它们的稀有程度低于某个限制（在 40 到 400 pb 之间）。
• 遗产：他们证明了通过使用“侦察”数据和新算法，我们现在可以看到以前不可见的粒子世界部分。

简而言之：团队构建了一张新的、灵敏的网来捕捉缓慢移动的粒子。他们通过捕捉一条已知的鱼（尤普西隆）来测试这张网，结果完美有效。然后，他们将网撒向深海，寻找一条神话般的鱼（$\phi$玻色子）。虽然没有找到这条神话般的鱼，但他们证明了网是有效的，并精确绘制出了这条鱼不可能藏身的区域。

技术摘要

技术摘要：在 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 质子 - 质子碰撞中寻找衰变至 $\tau\tau$ 的低质量共振态及测量 $\Upsilon \to \tau\tau$

问题与动机
尽管希格斯玻色子的发现完善了标准模型（SM），但仍有诸多现象无法解释，这促使理论预测了额外的自旋为零的玻色子（$\phi$）。这些粒子可能比希格斯玻色子更轻，并且具有与第三代费米子（特别是陶子）增强的耦合。此前在强子对撞机上对衰变至 $\tau\tau$ 的自旋为零粒子的包容性搜索，仅限于不变质量高于 60 GeV 的范围。低于该阈值时，产生的陶子横向动量（$p_T$）较低，导致来自量子色动力学（QCD）多喷注事件的背景显著。传统的数据获取方法依赖高触发阈值来管理数据率，因此对这类低质量 $\tau\tau$ 事件的效率极低。因此，在强子对撞机的强子陶子衰变背景下，20 至 60 GeV 的质量范围此前一直未被探索。

方法论
本分析利用了 CMS 探测器在 2022–2023 年期间收集的、质心系能量为 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 的质子 - 质子碰撞数据，对应的积分亮度为 61.9 fb$^{-1}$。末态由一个衰变为μ子和中微子的陶子（$\tau_\mu$）以及另一个强子衰变的陶子（$\tau_h$）组成。

关键的方法论创新包括：

• 数据侦察（Data Scouting）： 本分析采用了 CMS 侦察数据流，该数据流仅保留由高级触发（HLT）重建的事件数据。这减小了事件大小，使得触发率（高达 25 kHz）显著高于标准数据流。
• 新型重建算法： 开发了一种新的“侦察 HPS"（强子加条带）算法，用于重建可见横向动量（$p_T^{\text{vis}}$）低至 5 GeV 的 $\tau_h$ 候选者。与将 $\tau$ 锥张角限制为 $\Delta R < 0.1$ 的标准 HPS 算法不同，侦察 HPS 实施了动态最大张角（在 5 GeV 时可达 $\Delta R = 0.4$），以捕捉低动量衰变。
• 机器学习判别量：
  • TAUNET： 使用“深度集合”（deep sets）神经网络模型，基于 $\tau_h$ 候选者及其周围粒子的成分，区分真实的 $\tau_h$ 衰变与 QCD 背景。
  • HLV$\mu$： 一种神经网络隔离判别量用于识别周围活动较低的 $\tau_\mu$ 候选者。
• 触发策略： 搜索利用逻辑“或”触发，针对电磁活动（ECAL 沉积 $\ge$ 30 GeV）、强子活动（喷注标量 $p_T$ 总和 $>$ 360 GeV）或 HCAL 沉积（$p_T >$ 180 GeV）。
• 分析区域： 定义了三个不同的选择区域：
  1. $\Upsilon$ 区域： 用于观测 $\Upsilon(1S, 2S, 3S) \to \tau\tau$ 衰变，要求低 $p_T^{\text{vis}}$（$>5$ GeV）和特定的隔离标准。
  2. $Z$ 区域： 用于利用 $Z \to \tau\tau$ 事件验证高 $p_T^{\text{vis}}$ 重建（$>20$ GeV）。
  3. $\phi$ 搜索区域： 用于搜索 20–60 GeV 质量范围内的共振态，应用更严格的隔离和运动学切割。

背景使用模拟的标准模型过程（包括 $Z/\gamma^*$、$W$、$t\bar{t}$、双玻色子、QCD 和 $\Upsilon$ 产生）进行建模，并与数据进行验证。搜索区域中的连续背景使用由赤池信息量准则（Akaike Information Criterion）确定的特定函数形式（指数多项式或 UA2/ATLAS 函数）进行估算。

主要贡献与结果

1. $\Upsilon \to \tau\tau$ 的观测：
   本分析成功在强子对撞机环境中测量了 $\Upsilon(1S, 2S, 3S) \to \tau^+\tau^-$ 过程。跨单径迹通道和径迹加条带通道的联合最大似然拟合显示，相对于仅背景假设，显著性达到 5.8$\sigma$。

   • 测量截面： 对于 fiducial 区域 $|y_{\text{vis}}| < 1.2$ 且 $p_T^{\text{vis}} > 15$ GeV，截面为 $\sigma = 3.5 \pm 0.7 \text{ (统计)} \pm 0.7 \text{ (系统)}$ nb。
   • 该结果验证了新型低动量 $\tau_h$ 重建算法在高率数据流中的有效性。

2. 低质量自旋为零共振态（$\phi$）的搜索：
   在 20 至 60 GeV 的质量范围内，对衰变至 $\tau\tau$ 的自旋为零玻色子进行了包容性搜索。

   • 观测： 在 $m_{\text{vis}}(\mu, \tau_h)$ 分布中未观察到超出标准模型背景的显著 excess。
   • 上限： 在 95% 置信水平（CL）下，对产生截面与分支比的乘积 $\sigma(pp \to \phi) \times \mathcal{B}(\phi \to \tau\tau)$ 设定了上限。这些上限在质量范围内介于 40 至 400 pb 之间。
   • 该结果将 CMS 和 ATLAS 此前分析的质量范围（从 60 GeV 开始）向下扩展至 20 GeV，适用于具有强子陶子特征的包容性产生。

意义
本文声称，这些结果构成了在强子对撞机上、在 20–60 GeV 质量范围内，对通过胶子融合产生并衰变至 $\tau\tau$ 且带有强子陶子特征的自旋为零共振态的首次包容性搜索。$\Upsilon \to \tau\tau$ 衰变以 5.8$\sigma$ 显著性的测量表明，高率数据侦察流结合新型低动量重建算法，能够对以往因触发和重建限制而无法触及的具有挑战性的运动学区域中涉及陶子的新物理实现前所未有的灵敏度。搜索区域中信号的缺失，为预测具有增强耦合至第三代费米子的轻自旋为零玻色子的超出标准模型（BSM）模型提供了严格的约束。