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Office of Scientific and Technical Information

Title: Search for resonant production of strongly coupled dark matter in proton-proton collisions at 13 TeV

Journal Article · · Journal of High Energy Physics (Online)
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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 $$ \sqrt{s} $$ = 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.

Research Organization:
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, CA (United States); Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Univ. of Maryland, College Park, MD (United States); Univ. of Rochester, NY (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP)
Contributing Organization:
CMS Collaboration
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359; SC0010072; SC0008475
OSTI ID:
1838468
Alternate ID(s):
OSTI ID: 1903248; OSTI ID: 1907111
Report Number(s):
CMS-EXO-19-020; CERN-EP-2021-252; FERMILAB-PUB-21-759-CMS; arXiv:2112.11125; oai:inspirehep.net:1994864; TRN: US2300998
Journal Information:
Journal of High Energy Physics (Online), Vol. 2022, Issue 6; ISSN 1029-8479
Publisher:
Springer NatureCopyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (28)

Search for A μ + μ Decays journal January 2020
Search for resonant production of strongly coupled dark matter in proton-proton collisions at 13 TeV collection January 2022
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Comparative study of various algorithms for the merging of parton showers and matrix elements in hadronic collisions journal December 2007
Casting a graph net to catch dark showers journal January 2021
Total Top-Quark Pair-Production Cross Section at Hadron Colliders Through O ( α S 4 ) journal June 2013
A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter journal August 2006
Recommendations on presenting LHC searches for missing transverse energy signals using simplified s -channel models of dark matter journal September 2019
Supersymmetric dark matter journal March 1996
Asymptotic formulae for likelihood-based tests of new physics journal February 2011
Top-pair production at hadron colliders with next-to-next-to-leading logarithmic soft-gluon resummation journal April 2012
Reproducible Experiment Platform journal December 2015
The anti- k t jet clustering algorithm journal April 2008
The tbar-t cross-section at 1.8 and 1.96 TeV: a study of the systematics due to parton densities and scale dependence journal April 2004
Semivisible Jets: Dark Matter Undercover at the LHC journal October 2015
Parton distributions with QED corrections journal December 2013
The universal rotation curve of spiral galaxies — I. The dark matter connection journal July 1996
Rotational properties of 21 SC galaxies with a large range of luminosities and radii, from NGC 4605 /R = 4kpc/ to UGC 2885 /R = 122 kpc/ journal May 1980
Parton distributions from high-precision collider data: NNPDF Collaboration journal October 2017
Jet substructure from dark sector showers journal September 2020
Recommendations of the LHC Dark Matter Working Group: Comparing LHC searches for dark matter mediators in visible and invisible decay channels and calculations of the thermal relic density journal December 2019
Soft-gluon resummation for Higgs boson production at hadron colliders journal July 2003
Echoes of a hidden valley at hadron colliders journal August 2007
Hadronic top-quark pair production with NNLL threshold resummation journal February 2012
An introduction to PYTHIA 8.2 journal June 2015
Pileup subtraction using jet areas journal January 2008
Presentation of search results: the CL s technique journal September 2002
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