Search for nonresonant production of strongly coupled dark matter in proton-proton collisions at = 13 TeV
利用 CMS 探测器在 = 13 TeV 下收集的 138 fb 质子-质子碰撞数据，本研究通过使用监督式和无监督机器学习技术，对指示强耦合暗物质的非共振半可见喷注进行了搜寻，未发现显著过剩，并对高达 2.4 TeV 的媒介子质量设定了排除限制。
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几十年来，地球上最强大的机器一直在以接近光速的速度碰撞质子，揭示出一个由特定基本粒子构成的宇宙。这个标准模型在物理学领域取得了显著成功，它预测了从最轻的原子到已知最重粒子的行为。然而，天文学家早已知晓这一模型并不完整。关于星系如何旋转以及光线如何绕过大质量星团发生弯曲的观测表明，宇宙中大部分物质是不可见的。这种被称为暗物质的缺失质量既不发射光，也不反射光，也不与维持原子结构的力发生相互作用，因此无法被直接观测。尽管科学家们多年来一直在寻找一种可能解释这种黑暗性的简单、沉重的粒子，但却一无所获。这种沉默促使研究人员考虑更复杂的可能性：或许暗物质不仅仅是一个孤独的粒子，而是一个完整的隐藏部门（hidden sector），其中的粒子通过它们自身的力相互作用，就像我们所知的可见物质一样，只是对我们的观察保持隐匿。
在最近的一项研究中，位于瑞士的大型强子对撞机中的 CMS 合作组对这些复杂的构想之一进行了测试。他们寻找一种“暗部门”的证据，在这种场景下，粒子成对产生，其中一部分是可见的，另一部分是不可见的。在这种情境下，一个重粒子会衰变为一簇新的粒子。其中一些新粒子是稳定的且不可见的，会毫无痕迹地逃逸探测器；而另一些则是瞬态的，会立即衰变为探测器可以观测到的普通粒子。其结果是一个看起来像正常碎片喷流的粒子喷流，但其中很大一部分能量是缺失的。研究人员将这些奇特的物体称为“半可见喷流”（semivisible jets）。不同于典型的寻找单个喷流相对于巨大缺失能量进行反冲的暗物质搜索，本次搜索寻找的是缺失能量与可见喷流本身对齐，并隐藏在喷流内部的情况。
为了寻找这些难以捉摸的信号，团队分析了一个在 2016 年至 2018 年间收集的大规模质子-质子碰撞数据集，其对应的积分亮度为 138 inverse femtobarns。这一数据量代表了极其庞大的碰撞次数，为筛选信息提供了深厚的矿藏。挑战在于如何将这些假设的半可见喷流与标准物理过程产生的普通粒子喷流背景区分开来。为此，研究人员采用了两种截然不同的机器学习策略。第一种是监督学习方法，即通过在特定暗物质模型的模拟数据上进行训练，让计算机程序识别出半可见喷流的独特模式。第二种是无监督学习方法，即通过研究真实数据来学习一个正常的喷流是什么样的，然后标记出任何与该常态相比显得异常或“反常”的喷流。第二种方法旨在更具灵活性，即使信号与第一种方法中使用的特定模拟数据不完全匹配，也能捕捉到信号。
分析重点关注了缺失能量与喷流对齐的事件，这是此类暗部门的一个“烟雾枪”（确凿证据）特征。研究人员仔细过滤掉了由探测器误差或已知背景过程（如顶夸克产生或 W 和 Z 玻色子衰变）引起的事件。随后，他们检查了所收集的所有事件中缺失能量的分布情况。尽管使用了先进的工具和海量的数据，搜索依然空手而归。研究人员没有发现可以归因于半可见喷流的显著事件增益。数据与标准模型的预测完美契合，没有任何发现隐藏部门粒子的迹象。
由于未发现信号，团队利用其结果排除了他们正在测试的特定版本的暗物质模型。他们确定，如果这些半可见喷流确实存在，那么产生它们的重粒子质量在 0.5 到 2.4 万亿电子伏特之间是不可能的，具体取决于模型的其他属性。对于更擅长捕捉不可见部分较大的信号的无监督搜索，他们能够排除高达 2.1 万亿电子伏特的质量。这些限制具有重要意义，因为它们关闭了许多此前未被测试过的理论可能性之门。这项研究表明，即使暗物质隐藏在喷流之中并与普通粒子混合在一起，它也会留下现代探测器和先进计算机算法可以搜寻到的独特指纹。虽然这次搜索没有找到暗物质，但它成功地绘制出了暗物质不存在的区域，为未来的实验指明了新的方向。
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