利用 ATLAS 探測器搜尋 √s = 13 TeV 的 pp 碰撞中，具有高能噴流和缺失橫向動量的事件，以尋找新現象

核心概念

該研究使用 ATLAS 探測器在大型強子對撞機上收集的數據，在高能噴流和缺失橫向動量的事件中尋找新物理現象的跡象，結果與標準模型預測一致，並未發現新物理現象的證據，但研究結果被用於對各種新物理模型設定更嚴格的限制。

摘要

標題： 利用 ATLAS 探測器搜尋 √s = 13 TeV 的 pp 碰撞中，具有高能噴流和缺失橫向動量的事件，以尋找新現象
作者： ATLAS 合作團隊
期刊： Physical Review D
發表日期： 2021 年
DOI： 10.1103/PhysRevD.103.112006

本研究旨在利用 ATLAS 探測器在大型強子對撞機上收集的數據，在高能噴流和缺失橫向動量的事件中尋找新物理現象的跡象。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Search for new phenomena in events with an energetic jet and missing transverse momentum in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

by ATLAS Collab... 於 arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2102.10874.pdf

深入探究

如果在更高的能量或更大的數據樣本中進行類似的分析，是否能發現新物理現象的證據？

有可能。更高的能量和更大的數據樣本可以顯著提高對新物理現象的敏感度。以下是一些原因：

**更高的能量：**更高的能量可以產生更重的粒子，這些粒子在目前的能量下可能無法產生。這為探索新的物理模型和相互作用提供了機會，例如那些涉及TeV級別粒子的模型。
**更大的數據樣本：**更大的數據樣本可以減少統計誤差，從而更容易區分新物理信號和標準模型背景。這對於尋找產生微弱信號或具有與標準模型過程相似特徵的新物理現象尤為重要。
**探索新的相空間區域：**更高的能量和更大的數據樣本也允許探索新的相空間區域，例如具有更高橫向動量或更大噴注數量的事件。這些區域可能對某些新物理模型更敏感。
然而，即使有更高的能量和更大的數據樣本，也不一定能保證發現新物理現象。這取決於幾個因素，包括：

**新物理現象的尺度：**如果新物理現象的尺度遠高於LHC所能達到的能量，那麼即使在更高的能量下也可能無法觀測到它。
**新物理現象與標準模型的耦合強度：**如果新物理現象與標準模型粒子的耦合非常微弱，那麼它產生的信號可能非常微弱，難以與背景區分開來。
**標準模型背景的不確定性：**標準模型背景的不確定性可能會限制對新物理現象的敏感度。如果背景的不確定性太大，那麼即使存在新物理信號，也可能無法明確地識別出來。
總之，更高的能量和更大的數據樣本為探索新物理現象提供了重要的機會，但不能保證一定能發現新物理現象。

本文中考慮的標準模型背景估計是否存在潛在的系統不確定性，這些不確定性可能會影響對新物理現象的敏感度？

是的，文中使用的半數據驅動的背景估計方法存在一些潛在的系統不確定性，這些不確定性可能會影響對新物理現象的敏感度。主要的不確定性來源包括：

**控制區域的選擇：**控制區域的選擇旨在儘可能地豐富特定背景過程，同時最大限度地減少信號污染。然而，控制區域和信號區域之間的差異可能會導致系統不確定性，特別是當這些差異沒有被模擬很好地描述時。
**理論模型的準確性：**用於模擬信號和背景過程的理論模型的準確性會影響背景估計。例如，高階QCD或電弱修正的不確定性可能會影響背景預測。
**蒙特卡洛模擬中的系統不確定性：**蒙特卡洛模擬中存在各種系統不確定性，例如與噴流能量尺度、噴流能量分辨率和b噴流標記效率相關的不確定性。這些不確定性會傳播到背景估計中。
**數據統計的不確定性：**用於約束背景過程歸一化的控制區域中的數據統計不確定性也會影響背景估計。
這些系統不確定性會影響對新物理現象的敏感度，因為它們會增加背景預測的不確定性，從而更難以區分潛在新物理信號和標準模型背景。
為了減輕這些系統不確定性的影響，文章中採用了以下策略：

**使用多個控制區域：**使用多個控制區域可以交叉檢查不同背景過程的估計，並減少對單個控制區域的依賴。
**評估系統不確定性：**仔細評估了與背景估計相關的各種系統不確定性，並將其納入最終結果中。
**使用最先進的理論預測：**使用了最先進的理論預測來模擬信號和背景過程，以最大程度地減少理論模型的不確定性。
儘管採取了這些措施，但系統不確定性仍然是分析中的重要因素，需要進一步研究以提高對新物理現象的敏感度。

本文中描述的搜尋策略如何應用於其他可能產生類似最終狀態特徵的新物理模型？

文中描述的搜尋策略主要依賴於尋找高能噴流和大的缺失橫向能量事件，這是一種適用於許多新物理模型的通用方法。以下是一些可以應用類似搜尋策略的新物理模型：

**其他暗物質模型：**除了文中提到的WIMP模型，還有許多其他暗物質模型預測了類似於標準模型粒子的最終狀態特徵，例如具有不同自旋或相互作用的暗物質粒子。
**隱藏扇區模型：**隱藏扇區模型假設存在與標準模型粒子相互作用非常微弱的新粒子。這些模型可以預測出具有高能噴流和大的缺失橫向能量的事件，因為隱藏扇區粒子會逃離探測器而無法被探測到。
**額外維度模型：**除了ADD模型，還有其他額外維度模型，例如Randall-Sundrum模型，這些模型也預測了可以通過噴流和缺失橫向能量特徵搜尋到的新粒子。
**輕子數破壞模型：**一些輕子數破壞模型預測了產生帶有高能噴流和大的缺失橫向能量的最終態，因為輕子數破壞相互作用會產生逃逸的中微子。
總之，任何預測具有高能噴流和大的缺失橫向能量最終態特徵的新物理模型都可以應用文中描述的搜尋策略。
為了將搜尋策略應用於其他模型，需要進行以下調整：

**信號區域的優化：**根據特定模型的預測，可能需要調整信號區域的選擇，例如噴流數量、噴流橫向動量或缺失橫向能量的要求。
**背景估計：**需要仔細評估特定模型的相關背景過程，並相應地調整背景估計方法。
**結果詮釋：**需要根據特定模型的參數空間來詮釋搜尋結果，例如設定模型參數的排除極限。