⚛️ high-energy experiments

Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances with b jets in the final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

利用 136 fb $^{-1}$ 的 13 TeV 质子-质子碰撞数据，CMS 合作组展示了首次对衰变为 b 夸克和轻味夸克的双喷注共振态进行的共振与非共振对产生搜索，在对顶夸克（top squark）和双夸克模型设定排除限制的同时，观测到了显著性高达 2.6 倍标准差的局部过剩。

原作者： CMS Collaboration

发布于 2026-09-21

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CC BY 4.0

原作者： CMS 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

宇宙建立在一套被称为“标准模型”的规则之上，这是一个成功描述了构成我们所见之物的基本粒子和力的框架。然而，物理学家知道这一图景并不完整。它无法解释引力、暗物质的本质，或者为什么宇宙中存在更多的物质而非反物质。为了寻找缺失的碎片，大型强子对撞机中的科学家们将质子以接近光速的速度碰撞在一起，产生出一系列可能揭示隐藏现实层面的新粒子。在最有希望的理论中，包括那些预测存在重型不稳定粒子并衰变为普通物质喷注（jets）的理论。虽然科学家们长期以来一直在寻找单个重型粒子破碎的过程，但一个更复杂的场景涉及成对地创造这些重型粒子，随后它们又进一步破碎成更多的碎片。这项特定的搜索旨在寻找一种罕见的特征：两对粒子喷注，其中每一对都包含一个重底夸克（bottom quark），这是一种比我们日常世界中常见的质子和中子更重且更稀有的物质类型。

在最近的一项研究中，欧洲核子研究中心的 CMS 协作组检查了大量的碰撞数据，以搜寻这些难以捉及的粒子对。他们分析了 138 个单位的数据量（称为飞秒靶/femtobarns），这些数据采集自能量为 13 太电子伏特（TeV）的质子-质子碰撞。团队研究了两种截然不同的可能性。第一种是非共振过程，即两个重型粒子独立且同时被创造出来，每个粒子分别衰变为一个底夸克和一个较轻的夸克。第二种可能性涉及共振过程，即首先创造出一个单一的、甚至更重的母粒子，然后它分裂成这两个中间粒子，之后再进一步衰变。在这两种情景下，最终结果都会产生四个不同的能量喷注，其中两个源自底夸克。研究人员使用复杂的算法来识别这些底夸克，并根据所得喷注的能量来重建原始粒子的质量。

该分析侧重于寻找数据中的“凸起”（bump）或局部过剩，使其能在普通粒子碰撞的平滑且可预测的背景中脱颖而出。背景噪声是巨大的，由标准量子相互作用中持续产生的喷注所生成，但研究人员开发了一种直接从数据本身建模背景的方法，而不是仅仅依赖于理论预测。他们根据两喷注对的质量与所有四个喷注总质量的比值对事件进行排序，这种技术有助于将潜在信号从压倒性的背景中分离出来。在筛选数据后，团队并未发现新粒子的确凿证据。结果并未显示出能够证实预测的重共振态存在的清晰且具有统计学意义的峰值。

然而，缺乏发现也让科学家们得以为可能存在的物体设定严格的边界。他们确定，如果某些类型的重型粒子（特别是那些由涉及破坏“R-宇称”对称性的模型所预测的粒子）确实存在，那么它们的质量必须大于 0.8 太电子伏特。这一发现有效地排除了这些粒子在之前实验尚未完全探索的低质量范围内的存在。同样，对于涉及重双夸克（heavy diquark）粒子的共振搜索，数据排除了 2 到 7 太电子伏特之间的质量区间。这些限制是此类涉及底夸克衰变的特定粒子类型中首创的，推动了关于新物理学可能质量的前沿领域。

虽然主要搜索未果，但数据中确实包含了一些引人注目的波动。在非共振产生搜索中，最明显的偏离预期背景的情况出现在质量为 1.0 太电子伏特处，其统计显著性为 2.1 个标准差。在共振搜索中，在四喷注质量为 3.1 太电子伏特处观察到了一个略大的波动，对应的显著性为 2.6 个标准差。用粒子物理学的语言来说，这些数字表明，虽然数据在这些特定点上看起来与背景预测略有不同，但这种效应强度不足以被视为一项发现。此类波动在统计学上是预料之中的，是由随机统计变化引起的，研究人员强调，它们并不构成新粒子的证明。

研究还强调了一个记录在数据集中的最高能量的特定事件，其中四个喷注组合而成的质量为 5.5 太电子伏特。这个发生在 2018 年的单一个案包含了两对质量几乎完全相同且排列方式符合理论预期信号的喷注对。尽管其外观引人注目，但这一个事件不足以推翻整体结论，因为其余数据并不支持该能量水平下的连贯信号。研究人员指出，该事件出现在分布的高质量尾部，而在该区域统计波动更容易发生。

最终，这项工作代表了寻找超越标准模型物理学的重要一步。通过将搜索扩展到包含底夸克并覆盖广泛的质量范围，协作组已经关闭了此前处于开放状态的几种理论可能性。这些结果提供了一幅更清晰的能量景观图，告诉科学家们新粒子不在哪里，这与发现它们在哪里同样具有价值。搜索仍在继续，随着大型强子对撞机收集更多的数据，但目前为止，宇宙对于这些特定重型粒子对的存在保持着沉默。

技术摘要：带有 $b$ 夸克的对偶双喷注共振产生（共振与非共振）的研究

问题与动机
本文研究了在质心能量为 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子-质子碰撞中，涉及双喷注共振（ $X$ ）对产生的新物理现象。虽然针对单双喷注共振的标准搜索已非常成熟，但双喷注共振的对产生（产生最终态中的四个解析喷注）代表了一个更复杂的物理过程，由多种超越标准模型（BSM）的理论所预言。具体而言，本分析针对的是每对双喷注共振都衰变为底夸克（ $b$ 夸克）和轻夸克的场景，其最终态为两个 $b$ 喷注和两个轻夸克喷注（ $pp \to XX \to (bj)(bj)$ ）。

专注于 $b$ 喷注最终态的动机源于之前的 CMS 搜索，那些未进行味标记（flavor tagging）的搜索在特定质量区域观察到了 3.6–3.9 个标准差（s.d.）的局部过剩（例如，在非共振产生中为 0.95 TeV 的双喷注共振，以及在共振产生中为 3.6 TeV 的四喷注共振）。本分析通过引入 $b$ 标记来测试重味场景（如 R-parity 破坏超对称性和双夸克模型），从而扩展了这些调查，并验证了这些衰变拓扑结构。

方法论
本分析利用了由 CMS 探测器收集的、对应于 138 fb $^{-1}$ 积分亮度的数据集。该搜索分为两种不同的物理场景：

非共振产生： 直接产生自标量双喷注共振（ $X$ ），通过 R-parity 破坏（RPV）超对称性进行建模，其中顶夸克（ $\tilde{t}$ ）衰变为 $b$ 和 $s$ 夸克。
共振产生： 产生一个重中间共振（ $Y$ ），该共振衰变为一对双喷注共振（ $Y \to XX$ ），通过双夸克到双夸克（D2D）场景进行建模，其中重标量双夸克（ $S_{uu}$ ）衰变为两个较轻的标量双夸克（ $S_{2/3}$ ）。

事件选择与重建：

触发器与喷注： 使用高 $H_T$ 触发器选择事件。离线分析使用距离参数为 0.4 的 anti- $k_T$ 算法重建喷注。四个领先喷注必须满足 $p_T > 80$ GeV 且 $|\eta| < 2.4$ （或根据数据采集年份为 2.5）。
配对： 将四个喷注配对成两个双喷注系统，以最小化 $\Delta R$ 分离度，从而优化共振质量的重建。
味标记： 采用 DEEPJET 算法识别 $b$ 喷注。分析要求每个双喷注系统中至少包含一个 $b$ 喷注，并使用效率约为 75%、轻夸克误识别率约为 1% 的“中等”（medium）工作点。
运动学变量： 搜索在四喷注不变质量（ $m_{4j}$ ）和平均双喷注质量（ $m_{2j}$ ）平面内进行。为了减轻这两个变量之间的相关性，分析在无量纲比率 $\alpha = m_{2j}/m_{4j}$ 上对数据进行分箱。
背景估计： 主要背景（QCD 多喷注产生）直接通过基于数据的仅背景拟合进行估计。经验函数形式（Dijet-3p, ModDijet-3p, PowExp-3p）被拟合至 $m_{2j}$ （非共振）和 $m_{4j}$ （共振）谱。函数形式的选择通过离散剖析法（discrete profiling method）作为系统不确定性进行处理。

主要贡献与结果
这项工作代表了首次针对具有 $b$ 喷注最终态的对产生全解析双喷注共振的 LHC 搜索，其中所有共振均对应于非标准模型状态。

非共振搜索：
- 最显著的过剩出现在平均双喷注质量为 1.0 TeV 处，局部显著性为 2.1 s.d.。
- 在 RPV 衰变为 $b$ 和 $s$ 夸克的背景下，95% 置信水平（CL）的上界排除了质量在 0.5 至 0.8 TeV 之间的顶夸克（观测值）和 0.5 至 0.8 TeV 之间的顶夸克（预期值）。这扩展了之前约 0.5 TeV 的质量限制。
共振搜索：
- 在四喷注共振质量为 3.1 TeV 且双喷注共振质量为 1.3 TeV 处观察到最显著的过剩，局部显著性为 2.6 s.d.。这对应于 $\alpha_{true} = 0.42$ 的假设。
- 上界排除了在各种子双夸克（ $S_{2/3}$ ）质量比下的重双夸克（ $S_{uu}$ ）质量在 2 至 7 TeV 之间的情形。这些是针对 D2D 模型设置的首个限制。
系统不确定性： 分析考虑了喷注能量标度、分辨率、积分亮度以及 $b$ 标记效率的不确定性。背景建模不确定性（特别是经验函数的选择）是低质量区域的主要系统因素，而在高质量区域则由统计不确定性主导。

意义
该论文主要通过将搜索前沿扩展到具有 $b$ 喷注最终态的对产生双喷注共振领域来体现其意义。通过应用 $b$ 标记，该分析为之前的未标记搜索提供了补充约束，特别是在测试预测重味衰变的 BSM 模型方面。虽然没有发现具有统计学意义的新共振证据（所有过剩仍低于 3 s.d. 的发现阈值），但结果提供了对具有 $b$ 喷注的对产生双喷注共振的首次排除限制，并显著提高了对非共振 RPV 顶夸克产生的排除限制。该分析同时也调查了之前未标记搜索中所观察到的特定过剩在重味场景下的情况，发现这些过剩在 $b$ 标记通道中并未得到证实。

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