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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
NSF-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
More Like this
  1. 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 fb1collected 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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  2. Abstract A search is presented for physics beyond the standard model, based on measurements of dijet angular distributions in proton–proton collisions at $$\sqrt{s}=13\hbox {TeV}$$ s = 13 TeV . The data collected with the CMS detector at the LHC correspond to an integrated luminosity of 35.9 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The observed distributions, corrected to particle level, are found to be in agreement with predictions from perturbative quantum chromodynamics that include electroweak corrections. Constraints are placed on models containing quark contact interactions, extra spatial dimensions, quantum black holes, or dark matter, using the detector-level distributions. In a benchmark model where only left-handed quarks participate, contact interactions are excluded at the 95% confidence level up to a scale of 12.8 or 17.5TeV, for destructive or constructive interference, respectively. The most stringent lower limits to date are set on the ultraviolet cutoff in the Arkani–Hamed–Dimopoulos–Dvali model of extra dimensions. In the Giudice–Rattazzi–Wells convention, the cutoff scale is excluded up to 10.1TeV. The production of quantum black holes is excluded for masses below 5.9 and 8.2TeV, depending on the model. For the first time, lower limits between 2.0 and 4.6TeVare set on the mass of a dark matter mediator for (axial-)vector mediators, for the universal quark coupling $$g_{\mathrm {\mathrm {q}}} =1.0$$ g q = 1.0 . 
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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. Abstract

    This paper presents a search for dark matter,$$\chi $$χ, using events with a single top quark and an energeticWboson. The analysis is based on proton–proton collision data collected with the ATLAS experiment at$$\sqrt{s}=$$s=13 TeV during LHC Run 2 (2015–2018), corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$-1. The search considers final states with zero or one charged lepton (electron or muon), at least oneb-jet and large missing transverse momentum. In addition, a result from a previous search considering two-charged-lepton final states is included in the interpretation of the results. The data are found to be in good agreement with the Standard Model predictions and the results are interpreted in terms of 95% confidence-level exclusion limits in the context of a class of dark matter models involving an extended two-Higgs-doublet sector together with a pseudoscalar mediator particle. The search is particularly sensitive to on-shell production of the charged Higgs boson state,$$H^{\pm }$$H±, arising from the two-Higgs-doublet mixing, and its semi-invisible decays via the mediator particle,a:$$H^{\pm } \rightarrow W^\pm a (\rightarrow \chi \chi )$$H±W±a(χχ). Signal models with$$H^{\pm }$$H±masses up to 1.5 TeV andamasses up to 350 GeV are excluded assuming a$$\tan \beta $$tanβvalue of 1. For masses ofaof 150 (250) GeV,$$\tan \beta $$tanβvalues up to 2 are excluded for$$H^{\pm }$$H±masses between 200 (400) GeV and 1.5 TeV. Signals with$$\tan \beta $$tanβvalues between 20 and 30 are excluded for$$H^{\pm }$$H±masses between 500 and 800 GeV.

     
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  5. A bstract We study a renormalizable model of Dirac fermion dark matter (DM) that communicates with the Standard Model (SM) through a pair of mediators — one scalar, one fermion — in the representation ( 6 , 1 , $$ \frac{4}{3} $$ 4 3 ) of the SM gauge group SU(3) c × SU(2) L × U(1) Y . While such assignments preclude direct coupling of the dark matter to the Standard Model at tree level, we examine the many effective operators generated at one-loop order when the mediators are heavy, and find that they are often phenomenologically relevant. We reinterpret dijet and pair-produced resonance and jets + $$ {E}_{\mathrm{T}}^{\mathrm{miss}} $$ E T miss searches at the Large Hadron Collider (LHC) in order to constrain the mediator sector, and we examine an array of DM constraints ranging from the observed relic density Ω χ $$ {h}_{\mathrm{Planck}}^2 $$ h Planck 2 to indirect and direct searches for dark matter. Tree-level annihilation, available for DM masses starting at the TeV scale, is required in order to produce Ω χ $$ {h}_{\mathrm{Planck}}^2 $$ h Planck 2 through freeze-out, but loops — led by the dimension-five DM magnetic dipole moment — are nonetheless able to produce signals large enough to be constrained, particularly by the XENON1T experiment. In some benchmarks, we find a fair amount of parameter space left open by experiment and compatible with freeze-out. In other scenarios, however, the open space is quite small, suggesting a need for further model-building and/or non-standard cosmologies. 
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