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

技术摘要：寻找具有四枝大半径喷注特征的暗物质信号

问题与动机
尽管暗物质的本质仍未可知，但标准模型（SM）的扩展通常预言了一个包含额外潜在长寿命粒子的“暗部门”。本文研究了一种特定的非瞬发（nonprompt）暗物质信号，其中暗物质候选粒子是在初态辐射（ISR）的伴随下产生的。该信号模型假设存在一个重矢量或轴矢量媒介子（$Y_1$），它将标准模型与暗部门耦合。该媒介子衰变为一对狄拉克费米子（$\chi_2$），$\chi_2$ 是长寿命的，并会非瞬发地衰变为一个稳定的暗物质粒子（$\chi_1$）和一个轻标量玻色子（$Y_0$）。随后，$Y_0$ 玻色子衰变为一对标准模型夸克。

其特征信号涉及两个在探测器内发生衰变的长寿命 $\chi_2$ 粒子（即“位移衰变”），产生位移强子活动，并伴随显著的缺失横向动量（$p_T^{miss}$），后者源于两个未探测到的 $\chi_1$ 粒子。由于 $Y_1$ 系统具有较大的洛伦兹增益（Lorentz boost）且衰变链中的粒子质量较小，由两个 $Y_0$ 衰变产生的四个夸克预计是高度共线的。因此，该分析的目标是寻找这些四个夸克被重建为一个具有四枝子结构的单个大半径喷注的事件。

方法论
本分析利用了 CMS 探测器在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下于 2016–2018 年间收集的质子-质子碰撞数据，对应于 138 fb$^{-1}$ 的积分亮度。

• 事件选择： 事件选择要求至少有两个大半径（AK8）喷注，其横向动量 $p_T > 200$ GeV 且伪快度 $|\eta| < 2.5$。领先的 AK8 喷注必须满足 $p_T > 500$ GeV，以确保高触发效率。要求最小 $p_T^{miss}$ 为 200 GeV，以抑制缺乏真实缺失能量的标准模型背景。包含重建轻子（电子、μ子或强子陶子）的事件将被剔除。
• 喷注标记（Jet Tagging）： 采用基于图神经网络（GNN）的分类器来识别类信号喷注。该网络使用交互网络架构，从喷注组成部分（粒子）和二次顶点信息中构建图。这种方法显式地模拟了粒子之间的关系信息，这对于识别位移拓扑结构引入的非平凡相关性至关重要。GNN 在模拟的信号喷注（涵盖各种媒介子质量和寿命）以及 QCD 多喷注背景喷注上进行训练。
• 信号区（SR）定义： 通过选择领先 AK8 喷注的未修饰（ungroomed）PUPPI 质量超过 40 GeV 且 GNN 标记分数 $s_{GNN} > 0.8$ 的事件来定义信号区。
• 背景估计：
  • QCD 多喷注： 使用具有 $0.4 < s_{GNN} < 0.8$ 的控制区（CR）进行估计。利用从模拟中导出的传递因子（TFs）将 QCD 产额从控制区外推至信号区。
  • W + Jets： 使用包含恰好一个轻子且 AK8 喷注满足 $0.4 < s_{GNG} < 0.8$ 的控制区进行估计。
  • Z + Jets： 使用包含 $Z(\to \ell\ell) + \text{jets}$ 事件的控制区，利用强子反冲矢量来模拟 $Z(\to \nu\nu) + \text{jets}$ 的 $p_T^{miss}$ 分布。
  • 次要背景： 顶夸克产生和双玻色子过程通过蒙特卡洛模拟进行估计。
• 统计分析： 对信号区内的 $p_T^{miss}$ 分布进行分箱最大似然拟合。系统不确定性，包括与喷注能量标度/分辨率、GNN 标记效率（通过 Lund jet plane 重加权进行验证）以及传递因子统计涨落相关的项，均作为干扰参数（nuisance parameters）纳入考虑。

主要贡献

• 首次探索增益型位移拓扑结构： 本工作展示了首次针对一对非瞬发暗物质候选粒子在洛伦兹增益拓扑（具有大半径喷注和大 $p_T^{miss}$）下的搜索。
• 将 GNN 应用于位移喷注： 该分析扩展了 GNN 喷注标记器的应用，此前该技术已应用于瞬发多枝结构，现将其应用于位移大半径喷注。它验证了在图结构中使用二次顶点信息以增强对非瞬发衰变敏感性的有效性。
• 全面的背景建模： 研究采用数据驱动方法处理主要的背景（QCD、W+jets、Z+jets），使用了专门的控制区和传递因子，确保了对模拟不确定性的鲁棒性。

结果
在缺失横向动量谱中未观察到相对于标准模型预期的显著超额。在 95% 置信水平（CL）下，给出了关于信号强度（$\mu = \sigma/\sigma_{theory}$）随媒介子质量（$m_{Y_1}$）和耦合强度（$g_{\chi_2\chi_1Y_0}$）变化的上限。观测到的限制在两个标准差内与预期限制一致。分析排除了一些特定的信号假设，这些假设对应于所测试的参数空间，详见基准情景（表 1）和图 4。

意义
本文声称其意义在于作为此类特定实验信号的首个搜索：即在洛伦兹增益拓扑中产生的对非瞬发暗物质候选粒子。通过成功重建轻媒介子衰变为四个夸克的单个大半径喷注，并利用先进的机器学习技术识别位移子结构，该分析证明了 CMS 探测器探测涉及长寿命粒子的复杂暗部门模型的能力。结果约束了所研究的简化模型的参数空间，特别是排除了由测试的媒介子质量和耦合强度所定义的区域。