Search for long-lived particles decaying into muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV using data scouting

技术摘要：利用数据侦察技术在 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 的质子-质子碰撞中寻找衰变为缪子的长寿命粒子

问题与动机
暗物质的起源仍然是粒子物理学中尚未解决的主要问题之一，这激发了对隐藏（暗）部门（dark sector）的搜索，该部门与标准模型（SM）粒子进行微弱相互作用。本文针对多种超越标准模型（BSM）框架下的长寿命粒子（LLP）进行搜索，特别关注希格斯玻色子衰变为暗部门粒子，或由 $b$-强子衰变产生的长寿命标量的情况。关键模型包括：隐藏阿贝尔希格斯模型（HAHM），其中希格斯玻色子衰变为一对长寿命暗光子（$Z_D$）；涉及产生“暗喷淋”（dark showers）的限制性暗规范群（产生暗强子和暗光子）的暗喷淋模型；以及涉及与希格斯玻色子混合的单态标量（$\phi$）的极小扩展模型。

探测这些信号（特别是对于具有宏观衰变长度的低质量共振态，$m < 10$ GeV）的一个重大挑战是标准触发流的限制。标准触发通常要求高横向动量（$p_T$）粒子，使得低质量、位移的缪子对变得无法获取。此前的 CMS 数据侦察（data scouting）分析受限于像素命中多重性要求，其探测的衰变位移（$l_{xy}$）小于 11 cm。

方法论
本分析利用了 CMS 实验在 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 下，于 2022 年和 2023 年收集的质子-质子碰撞数据，对应积分亮度为 62.4 fb$^{-1}$。

• 触发策略： 本研究采用专门的“数据侦察”双缪子触发流。该流在高层触发（HLT）阶段仅保留简化信息（动量、命中计数和轨迹细节），从而允许对低横向动量阈值（$p_T \gtrsim 3-4$ GeV）的事件进行高速率选择。至关重要的是，2022 年对侦察触发器的更新移除了像素命中多重性要求，使得重建具有高达 70 cm 衰变位移（$l_{xy} > 11$ cm）的缪子对成为可能，这在以前是 CMS 侦察分析无法触及的相空间。
• 事件选择： 事件基于至少存在一对与次级顶点（SV）相关的相反电荷（OS）缪子进行选择。选择标准包括：
  • SV 位移 $l_{xy} < 70$ cm。
  • 顶点拟合质量（$\chi^2/\text{dof} < 3$）及坐标不确定度。
  • 通过排除位于径迹器模块内的 SV 来抑制物质相互作用。
  • 确保双缪子动量矢量与 SV 矢量共线（指向性）的拓扑要求，以拒绝随机组合背景。
  • 隔离准则（isolation criteria）和影响参数显著性（$|d_{xy}|/\sigma_{d_{xy}} > 2$），以区分位移缪子与瞬时（prompt）背景。
  • 对“过剩命中”（$N_{\mu\mu}^{\text{excess}}$）的特定处理，以拒绝意外形成位移顶点的瞬时缪子。
• 分类： 被选中的事件被分为以下几类：
  1. 双缪子事件： 单个 OS 缪子对，根据 $l_{xy}$（从 0 到 70 cm 分为 8 个 bin）、指向性与非指向性拓扑、隔离状态以及 $p_T^{\mu\mu}$（< 25 GeV 与 > 25 GeV）进一步细分。
  2. 四缪子事件： 包含两个 OS 缪子对的事件，分为“多顶点”（空间解析的 SVs）或“重叠顶点”（在不确定度内重叠的 SVs）。
• 背景建模： 标准模型背景直接通过数据进行估计，使用平滑的解析函数（伯恩斯坦多项式、幂律、指数函数）拟合到多缪子不变质量谱的滑动窗口中。已知的标准模型共振态（如 $J/\psi, \Upsilon$）会被掩模处理。
• 信号解释： 使用 HAHM ($H \to Z_D Z_D$)、暗喷淋场景（场景 A 和 B1）以及 $b$-强子衰变 ($h_b \to \phi X$) 的信号蒙特卡洛（MC）样本。使用基于 CL$_s$ 判据的剖面似然比对分支比设置上限。

主要贡献

1. 扩展相空间： 本分析通过利用更新后的侦察触发器，将位移缪子搜索的可及相空间显著扩展到 70 cm 的衰变长度，克服了以往 CMS 侦察分析 11 cm 的限制。
2. 低质量敏感度： 通过采用低 $p_T$ 阈值，本研究针对质量低于 10 GeV 的窄共振态，这是一个通常被标准高 $p_T$ 触发排除的区域。
3. 全面的分类： 引入四缪子拓扑（包括解析顶点和重叠顶点）以及按位移和隔离度进行详细分箱的方法，使其能够对各种 BSM 产生和衰变机制具有敏感性。
4. 数据驱动背景： 对数据驱动背景建模的依赖，确保了在低质量、高多重性机制下的稳健性。

结果
在所有分析的类别中，在双缪子或四缪子不变质量谱中均未观察到显著高于标准模型预测的事件过剩。因此，针对所考虑的 BSM 模型，在 95% 置信水平（CL）下设定了分支比的上界：

• 隐藏阿贝尔希格斯模型： 为暗光子质量（$m_{Z_D}$）范围在 0.5 至 50 GeV 之间以及固有衰变长度（$c\tau_{Z_D}^0$）为 0.1, 1, 10, 和 100 cm 的情况设定了 $\mathcal{B}(H \to Z_D Z_D)$ 的限制。结果改进了之前的约束，特别是在 $m_{Z_D} < 5$ GeV 且 $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ cm 的情况下。
• 暗喷淋模型： 为场景 A 和 B1 建立了 $\mathcal{B}(H \to \Psi\Psi)$ 的上限。本分析将暗光子（$A'$）和暗强子（$\tilde{\pi}_3$）的固有衰变长度排除范围从 10 cm 扩展到了 100 cm，超越了以往的限制。
• 来自 $b$-强子的长寿命标量： 为标量质量 $m_\phi$ 高达 4 GeV 及寿命为 0.1, 1, 10 cm 的情况设定了乘积 $\mathcal{B}(h_b \to \phi X)\mathcal{B}(\phi \to \mu\mu)$ 的限制。这些约束结果与之前的研究相当，改进的触发效率补偿了相对于早期运行较小的数据集。

意义
本文声称，所得出的约束在很大范围的参数空间内代表了目前最严格的限制，特别是在隐藏阿贝尔希格斯模型（针对 $m_{Z_D} < 5$ GeV 和 $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ cm）以及暗喷淋模型（针对固有衰变长度 $> 10$ cm）方面。这项工作证明了数据侦察技术在探索探测器接受度中的“盲点”方面的有效性，即那些标准触发流无法获取的低质量、长寿命粒子。通过扩展对更大衰变长度和更低质量的覆盖范围，本分析显著缩小了这些特定 BSM 假设的可行参数空间。