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Title: Search for resonant production of strongly coupled dark matter in proton-proton collisions at 13 TeV
A bstract The first collider search for dark matter arising from a strongly coupled hidden sector is presented and uses a data sample corresponding to 138 fb −1 , collected with the CMS detector at the CERN LHC, at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The hidden sector is hypothesized to couple to the standard model (SM) via a heavy leptophobic Z′ mediator produced as a resonance in proton-proton collisions. The mediator decay results in two “semivisible” jets, containing both visible matter and invisible dark matter. The final state therefore includes moderate missing energy aligned with one of the jets, a signature ignored by most dark matter searches. No structure in the dijet transverse mass spectra compatible with the signal is observed. Assuming the Z′ boson has a universal coupling of 0.25 to the SM quarks, an inclusive search, relevant to any model that exhibits this kinematic behavior, excludes mediator masses of 1.5–4.0 TeV at 95% confidence level, depending on the other signal model parameters. To enhance the sensitivity of the search for this particular class of hidden sector models, a boosted decision tree (BDT) is trained using jet substructure variables to distinguish between semivisible jets and SM jets from background processes. When the BDT is employed to identify each jet in the dijet system as semivisible, the mediator mass exclusion increases to 5.1 TeV, for wider ranges of the other signal model parameters. These limits exclude a wide range of strongly coupled hidden sector models for the first time.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10374163
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
6
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A<sc>bstract</sc> A search for “emerging jets” produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is performed using data collected by the CMS experiment corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. This search examines a hypothetical dark quantum chromodynamics (QCD) sector that couples to the standard model (SM) through a scalar mediator. The scalar mediator decays into an SM quark and a dark sector quark. As the dark sector quark showers and hadronizes, it produces long-lived dark mesons that subsequently decay into SM particles, resulting in a jet, known as an emerging jet, with multiple displaced vertices. This search looks for pair production of the scalar mediator at the LHC, which yields events with two SM jets and two emerging jets at leading order. The results are interpreted using two dark sector models with different flavor structures, and exclude mediator masses up to 1950 (1950) GeV for an unflavored (flavor-aligned) dark QCD model. The unflavored results surpass a previous search for emerging jets by setting the most stringent mediator mass exclusion limits to date, while the flavor-aligned results provide the first direct mediator mass exclusion limits to date. 
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  2. A<sc>bstract</sc> A search for pairs of dijet resonances with the same mass is conducted in final states with at least four jets. Results are presented separately for the case where the four jet production proceeds via an intermediate resonant state and for nonresonant production. The search uses a data sample corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1collected by the CMS detector in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. Model-independent limits, at 95% confidence level, are reported on the production cross section of four-jet and dijet resonances. These first LHC limits on resonant pair production of dijet resonances via high mass intermediate states are applied to a signal model of diquarks that decay into pairs of vector-like quarks, excluding diquark masses below 7.6 TeV for a particular model scenario. There are two events in the tails of the distributions, each with a four-jet mass of 8 TeV and an average dijet mass of 2 TeV, resulting in local and global significances of 3.9 and 1.6 standard deviations, respectively, if interpreted as a signal. The nonresonant search excludes pair production of top squarks with masses between 0.50 TeV to 0.77 TeV, with the exception of a small interval between 0.52 and 0.58 TeV, for supersymmetricR-parity-violating decays to quark pairs, significantly extending previous limits. Here, the most significant excess above the predicted background occurs at an average dijet mass of 0.95 TeV, for which the local and global significances are 3.6 and 2.5 standard deviations, respectively. 
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  3. Abstract In this work, we consider the case of a strongly coupled dark/hidden sector, which extends the Standard Model (SM) by adding an additional non-Abelian gauge group. These extensions generally contain matter fields, much like the SM quarks, and gauge fields similar to the SM gluons. We focus on the exploration of such sectors where the dark particles are produced at the LHC through a portal and undergo rapid hadronization within the dark sector before decaying back, at least in part and potentially with sizeable lifetimes, to SM particles, giving a range of possibly spectacular signatures such as emerging or semi-visible jets. Other, non-QCD-like scenarios leading to soft unclustered energy patterns or glueballs are also discussed. After a review of the theory, existing benchmarks and constraints, this work addresses how to build consistent benchmarks from the underlying physical parameters and present new developments for the pythia Hidden Valley module, along with jet substructure studies. Finally, a series of improved search strategies is presented in order to pave the way for a better exploration of the dark showers at the LHC. 
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  4. A bstract Hidden sectors are ubiquitous in supergravity theories, in strings and in branes. Well motivated models such as the Stueckelberg hidden sector model could provide a candidate for dark matter. In such models, the hidden sector communicates with the visible sector via the exchange of a dark photon (dark Z ′) while dark matter is constituted of Dirac fermions in the hidden sector. Using data from collider searches and precision measurements of SM processes as well as the most recent limits from dark matter direct and indirect detection experiments, we perform a comprehensive scan over a wide range of the Z ′ mass and set exclusion bounds on the parameter space from sub-GeV to several TeV. We then discuss the discovery potential of an $$ \mathcal{O} $$ O (TeV) scale Z ′ at HL-LHC and the ability of future forward detectors to probe very weakly interacting sub-GeV Z ′ bosons. Our analysis shows that the parameter space in which a Z ′ can decay to hidden sector dark matter is severely constrained whereas limits become much weaker for a Z ′ with no dark decays. The analysis also favors a self-thermalized dark sector which is necessary to satisfy the dark matter relic density. 
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  5. null (Ed.)
    A bstract A search for new phenomena with top quark pairs in final states with one isolated electron or muon, multiple jets, and large missing transverse momentum is performed. Signal regions are designed to search for two-, three-, and four-body decays of the directly pair-produced supersymmetric partner of the top quark (stop). Additional signal regions are designed specifically to search for spin-0 mediators that are produced in association with a pair of top quarks and decay into a pair of dark-matter particles. The search is performed using the Large Hadron Collider proton-proton collision dataset at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector from 2015 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set in the stop-neutralino mass plane and as a function of the mediator mass or the dark-matter particle mass. Stops are excluded up to 1200 GeV (710 GeV) in the two-body (three-body) decay scenario. In the four-body scenario stops up to 640 GeV are excluded for a stop-neutralino mass difference of 60 GeV. Scalar and pseudoscalar dark-matter mediators are excluded up to 200 GeV when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both equal to one and when the mass of the dark-matter particle is 1 GeV. 
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