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Search for emerging jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13.6$ TeV with the ATLAS experiment

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2025

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Report No.: CERN-EP-2025-099; arXiv:2505.02429

Abstract: A search for emerging jets is presented using 51.8 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $\sqrt{s} = 13.6$ TeV, collected by the ATLAS experiment during 2022 and 2023. The search explores a hypothetical dark sector featuring 'dark quarks', which are charged under a confining gauge group and couple to the Standard Model via a new mediator particle. These dark quarks undergo showering and hadronization within the dark sector, forming long-lived dark mesons that decay back into Standard Model particles. This results in jets which contain multiple displaced vertices known as emerging jets. The analysis targets events with pairs of emerging jets, produced either through a vector mediator, $Z'$, in the $s$-channel, or a scalar mediator, $\Phi$, in the $t$-channel. No significant excess over the Standard Model background is observed. Assuming a dark pion proper decay length between 5 and 50 mm, $Z'$ mediator masses between 600 and 2550 GeV are excluded for quark and dark quark coupling values of 0.01 and 0.1, respectively. For a quark-dark quark coupling of $0.1$, $\Phi$ mediator masses between 600 and 1375 GeV are excluded. These results provide the first direct constraints on emerging jet pair production via a $Z'$ mediator, and represent the first search to investigate emerging jet production via $t$-channel exchange of a scalar mediator.


Note: 52 pages in total, author list starting page 35, 12 figures, 8 tables, submitted to Reports on Progress in Physics. All figures including auxiliary figures are available at https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2022-31

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. DFG project G:(GEPRIS)469666862 - Präzisionstests des Standardmodells unter der Verwendung von geboosteten W/Z-Bosonen am Large Hadron Collider (469666862) (469666862)
  3. REALDARK - REAL-time discovery strategies for DARK matter and dark sector signals at the ATLAS detector with Run-3 LHC data (101002463) (101002463)
  4. DITTO - Comprehensive search for new phenomena in the dilepton spectrum at the LHC (101089007) (101089007)
  5. BARD - B-resonance Algorithm using Rare Decays (101116429) (101116429)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2025
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