Searching for Dark Matter produced in association with top quarks with the CMS experiment at the LHC

Abstract

A search is presented for dark matter (DM) produced in association with top quarks in final states with two leptons with data collected by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the Large Hadron Collider between 2016 and 2018. This search targets the single top quark + DM (t + DM) signal in addition to the top quark pair + DM (tt̄ + DM) process for the first time in the dileptonic channel. This analysis includes numerous improvements with respect to the previous iteration performed using the 2016 CMS dataset. A new kinematic reconstruction algorithm is used to reconstruct the tt̄ pair in tt̄ + DM events, which is challenging since both the DM and the neutrinos from the top decays are not observed. Neural networks trained on a number of sensitive variables are used to improve the discrimination of signal from background, and new control regions are introduced to estimate the rate of the tt̄Z and Drell-Yan backgrounds. These improvements increase the sensitivity of this search by 40-65% (depending on the DM mediator mass considered) for the 2016 dataset; also including the 2017 and 2018 data gives a further improvement of 40%.

Limits are set on models where the DM couples to top quarks via a scalar mediator, excluding mediator masses up to 150 GeV (230 GeV expected), and on models with a pseudoscalar mediator, excluding mediator masses up to 150 GeV (260 GeV expected), for the signal cross sections for the benchmark Yukawa-like couplings. This search will be combined with corresponding searches in 0 and 1 lepton final states from CMS to produce a result that will be the most sensitive search for this model published to date.

Lastly, the implementation and validation of a new “dark shower” model in the Herwig Monte Carlo generator is presented. This is an alternative type of dark matter model in which the DM is part of a “dark sector” with strong interactions between the particles. This leads to showers of dark particles which form bound states, some of which are stable and provide the DM candidate, and others of which are unstable and decay to Standard Model (SM) particles. This can lead to interesting experimental signatures of jets with a different substructure to the SM backgrounds, and the sensitivity of some new jet substructure variables to this model are explored.

Eine Suche für dunkle Materie (DM), produziert zusammen mit top Quarks in Endzuständen mit zwei Leptonen, mit Daten gesammelt am Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment am Large Hadron Collider von 2016 bis 2018 wird präsentiert. Diese Suche visiert zum ersten Mal im dileptonischen Kanal das einzelne top Quark + DM (t + DM) Signal zusätzlich zum top Quark Paar + DM (tt̄ + DM) Prozess an. Diese Analyse enthält mehrere Verbesserungen im Vergleich zum vorläufigen Durchlauf dieser Analyse, die den 2016 CMS Datensatz benutzt hat. Ein neuer Kinematische-Rekonstruktion-Algorithmus wird benutzt, um das tt̄ Paar in tt̄ + DM Events zu rekonstruieren, was fordernd ist, weil sowohl die DM als auch die im Zerfall der top Quarks produzierten Neutrinos nicht beobachtet werden. Neuronale Netze, trainiert auf mehreren sensiblen Variablen, werden benutzt, um die Diskrimination des Signals gegen den Hintergrund zu verbessern, und neue Kontrollregionen werden definiert, um die Rate der tt̄Z und Drell-Yan Prozesse abzuschätzen. Diese Verbesserungen erhöhen die Sensitivität dieser Suche um 65-80% (abhängig von der Masse des DM Mediators) für den 2016 CMS Datensatz; hinzufügen der 2017 und 2018 Daten führt zu einer weiteren Verbesserung von 40%.

Wegen dieser Verbesserungen und dem größeren Datensatz, ist die Sensitivität diese Suche 65-80% (abhängig von der Masse des DM Mediator) höher als beim vorläufigen Durchlauf dieser Analyse, die den 2016 CMS Datensatz benutzt hat.

Obergrenzen werden für Modelle, in dem die DM an top Quarks über ein skalaren Mediator koppelt, und für Modelle mit ein pseudoskalaren Mediator gesetzt; skalare Mediator-Massen bis zu 150 GeV (230 GeV erwartet) und pseudoskalare Mediator-Massen bis zu 150 GeV (260 GeV erwartet) werden für Signal-Querschnitte mit Benchmark-Yukawa-Artigen Koplungen ausgeschlossen . Diese Suche wird mit den entspechenden Suchen in den 0- und 1- Leptonen-Endzuständen kombiniert werden, um ein Ergebnis zu produzieren, das wird die sensibelste bisher veröffentlichte Suche für dieses Modell sein.

Schließlich wird die Implementation und Überprufung eines neues “dunkler Schauer” Modell in dem Monte Carlo Generator “Herwig” präsentiert. Dies ist eine alternative Art von DM-Modell, in dem die DM ein Teil eines “dunklen Sektor” mit starken Wechselwirkungen zwischen den Teilchen ist, was zu Schauern von dunkle Teichen führt, die gebundene Zustände bilden; einige davon sind stabil und dienen als ein DM-Kandidat, anderen davon sind instabil und zerfallen in Standardmodell (SM) Teilchen. Das kann zu interessanten experimentellen Signaturen mit Jets mit verschiedener Substruktur im Vergleich zu den SM Hintergründen führen, und die Sensitivität einiger neuer Jet-Substruktur-Variablen in diesem Modell wird untersucht.