⚛️ high-energy experiments

Search for high-mass resonances in photon-jet final states using 140 fb $^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

利用 140 fb $^{-1}$ 的 13 TeV 质子-质子碰撞数据，ATLAS 实验在光子-喷注末态中进行了高质量共振态搜索，未发现与标准模型显著偏离的现象，并对激发夸克质量在高达 6.0 TeV 以及量子黑洞阈值在高达 7.5 TeV 方面设定了严格的排除限制。

原作者： ATLAS Collaboration

发布于 2026-08-28

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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

宇宙是由一套基本规则构建而成的，物理学家们数十年来一直致力于绘制这些规则的图谱。这张被称为“标准模型”的地图成功描述了构成我们所见万物的微小粒子以及它们是如何相互作用的。然而，这张地图并不完整。它留下了深刻的问题，例如为什么粒子具有它们所拥有的质量，为什么物质恰好分为三个家族，以及引力如何融入其中。为了填补这些空白，科学家们提出了新的构想，暗示我们所熟知的粒子可能实际上是由更小、更基本的碎片组成的，或者在超出我们感知范围的地方存在着隐藏的空间维度。这些理论预言了重型且短寿命粒子的存在，如果我们将质子以足够高的能量碰撞在一起，这些粒子就应该会出现。发现它们将改写我们对现实的理解，而未能发现它们则有助于科学家缩小范围，寻找真正的自然法则究竟隐藏在哪里。

在位于法国和瑞士边界之下、巨大的环形加速器——大型强子对撞机中，质子被加速到接近光速并发生碰撞。ATLAS实验是围绕碰撞点的一个巨型探测器之一，它扮演着高速摄像机的角色，捕捉这些撞击产生的碎片。在最近的一次分析中，ATLAS团队筛选了对应于140 fb⁻¹积分亮度的庞大数据集，寻找一种非常特定的信号：一个高能光子（一种光粒子）与一个粒子喷流一同飞出。这种组合是一个清晰的信号，可能揭示一种新重型粒子的衰变。研究人员正在搜寻两种主要的假设对象：激发夸克（即物质基本组成部分的更重版本）和量子黑洞（即由坍缩恒星形成的宇宙巨兽的微观版本）。

团队检查了每一次记录事件中光子与喷流对的质量。如果存在一种新的重型粒子，它会以一个突然的“尖峰”或“凸起”的形式出现在特定质量值的数据中，从已知物理学的平滑且可预测的背景中凸显出来。研究人员仔细观察了广泛的能量范围，从他们能够可靠测量的最低质量一直到机器所能产生的最高能量。他们还将搜索划分为不同的类别，基于可能产生的重型粒子的类型，检查是否存在轻夸克的迹象，同时也检查了较重且较罕见的变体，如包含粲夸克或底夸克的变体。他们甚至观察了如果微观黑洞瞬间形成并蒸发时所预期的特定模式。

结果呈现了一幅关于“不存在之物”的清晰图景。数据并未显示出任何显著的尖峰或意外的过剩。事件的分布与标准模型的预测完美契合，没有任何证据表明有新的重型粒子隐藏在噪声之中。由于没有发现信号，团队得以设定严格的限制。他们确定，如果激发夸克确实存在，那么轻版本的质量必须大于6.0 TeV，粲版本的质量大于3.5 TeV，底版本的质量大于2.6 TeV。同样，他们排除了在一种理论模型中质量阈值低于5.3 TeV以及在另一种模型中低于7.5 TeV的量子黑洞的存在。这些限制是目前针对此类碰撞场景中最严苛的约束。

这项工作代表了探索新物理学的重要进展，利用了大型强子对撞机第二次运行期间收集的完整数据集。通过将更大容量的数据与更精细的粒子识别及背景噪声过滤技术相结合，ATLAS合作组推向了我们已知领域的边界。虽然这次搜索并未发现某些理论所预言的新粒子，但信号的缺失本身就是一个强有力的科学结果。它告诉理论学家，如果这些粒子确实存在，那么它们的质量太重，以至于无法在目前的能量水平下被产生，这迫使科学界完善他们的模型并转向其他领域进行寻找。探索仍在继续，但目前为止，宇宙仍与已知的物理定律保持一致，而对下一层现实的追寻正迈向更高的能量和新的前沿。

技术摘要：ATLAS 关于光子-喷注末态中高质量共振态的搜索

问题与动机
本文介绍了在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子-质子（$pp$）碰撞中，利用 ATLAS 探测器在 LHC Run 2 期间收集的数据，对高质量新现象进行的搜索。该分析针对由一个高横向动量光子和一个喷注（ $\gamma$ –jet）组成的末态。此类信号由多种超越标准模型（BSM）的情景所预言，包括引入激发夸克态（ $q^*$ ）的夸克复合模型，以及涉及额外空间维度的理论（Randall-Sundrum 和 Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali 模型），后者预言了微观量子黑洞（QBHs）的产生。本研究旨在识别 $\gamma$ –jet 不变质量（ $m_{\gamma j}$ ）谱中的局部过剩，这类过剩可能指示这些新粒子的共振产生，从而解决诸如费米子家族结构和层级问题等尚未解决的标准模型问题。

方法论
该分析基于对应于 140 fb $^{-1}$ 集成亮度的数据集。事件选择要求一个高 $p_T$ 光子（ $p_T > 150$ GeV）和一个喷注（ $p_T > 150$ GeV）位于中心探测器区域（ $|\eta| < 1.37$ ），且不变质量 $m_{\gamma j} > 500$ GeV。为了抑制来自轫变和 $t$ 通道的背景，应用了运动学约束，包括对光子与喷注之间的动量平衡的要求，以及对它们伪快度差的限制（ $|\Delta\eta| < 1.6$ ）。

本分析的一个关键方法论进展是利用了 GN2 标记器（一种基于 Transformer 的算法）来区分轻味、 $c$ 味和 $b$ 味喷注。这允许定义三个排他性的信号区域：

SR (Inclusive/包含型): 包含所有选定的事件。
SRB: 要求领先喷注被标记为 $b$ 味喷注。
SRC: 要求领先喷注被标记为 $c$ 味喷注。
SRL: 包含未能通过 $b$ 味和 $c$ 味标记要求的事件。

使用经过快速探测器模拟（AtlFast3）或全 Geant4 模拟（取决于样本）处理的蒙特卡洛模拟对激发夸克和 QBHs 进行信号建模。背景建模依赖于使用平滑下降函数（例如 $f_b(x) = n_{bkg}(1-x)^{p_0}x^{-\sum p_i(\ln x)^{i-1}}$ ）对数据进行函数拟合。系统不确定性（包括来自亮度、物体重建、堆积以及通过“伪信号”测试量化的背景建模的不确定性）被纳入分箱似然拟合中。统计分析采用 $CL_s$ 方法来设定排除极限，并使用 BumpHunter 算法来扫描局部过剩。

主要贡献

对 $c^*$ 的首次直接约束： 本工作提供了对 LHC 中 $\gamma$ –jet 末态下激发粲夸克（ $c^*$ ）产生的首次直接约束。通过在 SRL、SRB 和 SRC 区域进行同时拟合，分析提高了对 $c^*$ 信号的敏感度，因为 $c^*$ 信号分布在多个味标记类别中。
重味激发夸克： 该研究将激发夸克的搜索范围从轻味状态扩展到了包括重味状态（ $b^*$ 和 $c^*$ ）在内的情形，探索了截面对耦合强度 $f$ 的依赖关系。
模型无关的极限： 除了特定的基准模型外，分析还对具有 2% 到 15% 质量宽度范围的通用高斯形状共振态的可观测截面设定了极限，便于在其他理论框架中进行重新解释。
改进的背景建模： 与之前的 ATLAS 搜索（36.7 fb $^{-1}$ ）相比，本分析利用了改进的背景建模技术和更大的数据集（140 fb $^{-1}$ ），增强了对高质量共振态的敏感度。

结果
在任何信号区域的 $m_{\gamma j}$ 谱中，均未观察到与标准模型预测的显著偏差。数据与仅背景假设吻合良好，根据区域不同， $p$ 值在 0.11 到 0.62 之间。BumpHunter 算法未发现具有统计学意义的局部过剩。

因此，在 95% 置信水平（CL）下，针对各种新物理情景的产生截面设定了严格的上界：

激发夸克 ( $f=1$ ): 排除的质量上限分别为：轻味 $q^*_L$ ( $u^*/d^*$ ) 为 6.0 TeV， $c^*$ 为 3.5 TeV，以及 $b^*$ 为 2.6 TeV。
量子黑洞： 排除的质量阈值对于 Randall-Sundrum (RS1, $n=1$ ) 模型高达 5.3 TeV，对于 ADD 模型 ( $n=6$ ) 高达 7.5 TeV。
通用共振态： 在所探索的质量和宽度范围内，建立了高斯共振态的可观测截面极限。

意义
作者指出，这些结果构成了目前 $\gamma$ –jet 末态中最严格的约束。排除 $c^*$ 产生成为该领域的一项创新贡献，因为此前没有任何 LHC 结果在这一通道中直接约束这些过程。该分析展示了 ATLAS 探测器利用先进的味标记技术和精炼的统计方法，利用完整的 Run 2 数据集来探测高质量标度的能力，从而约束解决层级问题和费米子复合性的理论框架。

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