Search for signatures of electroweakinos with photons, jets, and large missing transverse momentum in $\sqrt{s}=13$ TeV pp collisions with the ATLAS detector

ملخص تقني: البحث عن توقيعات الإليكترو-وِيكو (Electroweakinos) باستخدام الفوتونات، والنفاثات (Jets)، ونقص الزخم المستعرض الكبير

المشكلة والدوافع
تقدم هذه الورقة بحثاً عن فيزياء ما وراء النموذج المعياري (SM) في تصادمات بروتون-بروتون عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13$ تريليون إلكترون فولت، وذلك باستخدام مجموعة بيانات التشغيل الثاني (Run-2) الكاملة التي جمعها كاشف ATLAS. يستهدف هذا التحليل الحالات النهائية التي تتميز بوجود فوتون واحد على الأقل معزول ذي زخم عرضي مرتفع ($p_T$)، ونفاثات، ونقص كبير في الزخم المستعرض ($E^{\text{miss}}_T$). تُعد مثل هذه التوقيعات متوقعة في نماذج كسر التناظر الفائق بوساطة القياس (GMSB) والقياس العام (GGM). في هذه السيناريوهات، يُفترض أن الغرافيتينو ($\tilde{G}$) هو الجسيم الأخف في التناظر الفائق (LSP) وهو مستقر، ويعمل كمرشح للمادة المظلمة. ويُفترض أن الجسيم التالي للأخف (NLSP) هو النيوترالينو الأخف ($\tilde{\chi}^0_1$)، والذي يتم نمذجته كمزيج من حالات "بينو" (bino) و"هيجزينو" (higgsino). يتحلل $\tilde{\chi}^0_1$ إلى غرافيتينو وبوزون من بوزونات النموذج المعياري ($\gamma$، أو $Z$، أو $h$). إن إنتاج زوج من $\tilde{\chi}^0_1$ (غالباً عبر حالات وسيطة من "التشارجينو" أو نيوترالينو أثقل) يمكن أن يؤدي إلى حالات نهائية تحتوي على بوزونين (مثل $\gamma\gamma$، أو $\gamma Z$، أو $\gamma h$) ونقص كبير في $E^{\text{miss}}_T$ ناتج عن الغرافيتينوات الهاربة. يستهدف هذا التحليل تحديداً الإنتاج الإليكترو-وِيكو لهذه الجسيمات، مما يوسع الحساسية لتصل إلى كتل النيوترالينو حتى 1.2 تريليون إلكترون فولت، ويستكشف نطاقاً أوسع من نسب التحلل مقارنة بالبحوث السابقة.

المنهجية
يستخدم التحليل مجموعة بيانات ATLAS Run-2 الكاملة التي تقابل لمعاناً متكامماً قدره 140 فمتوبال (fb$^{-1}$).

• إعادة بناء الأحداث والاختيار: يتم اختيار الأحداث باستخدام مشغل (trigger) فوتون واحد. في مرحلة ما بعد المعالجة (offline)، يجب أن تحتوي الأحداث على فوتون واحد على الأقل بـ $p_T > 145$ GeV و $|\eta| < 2.37$ (باستثناء منطقة الانتقال $1.37 < |\eta| < 1.52$)، مع استيفاء معايير تعريف وعزل صارمة. كما يُشترط وجود نفاثة واحدة على الأقل بـ $p_T > 20$ GeV و $|\eta| < 2.8$. وللحد من الخلفيات الناتجة عن التأثيرات الأدواتية أو الكائنات التي أُعيد بناؤها بشكل خاطئ، تُفرض متطلبات فصل زاوي بين الفوتون الرئيسي، والنفاثات الرئيسية، ومتجه $E^{\text{miss}}_T$ ($\Delta\phi > 0.4$). كما يتم استبعاد الأحداث التي تقع ضمن نافذة كتلة بوزون هيجز للدي فوتون ($120 < m_{\gamma\gamma} < 130$ GeV) لضمان عدم التداخل مع عمليات البحث الأخرى الخاصة بتحلل هيجز إلى دي فوتون.
• مناطق الإشارة (SRs): تم تحديد ثلاث مناطق اكتشاف للإشارة (SRL, SRM, SRH) بناءً على عتبات $E^{\text{miss}}_T$ ومعنوية $E^{\text{miss}}_T$ (significance)، وهي تستهدف نطاقات كتلة $\tilde{\chi}^0_1$ المنخفضة، والمتوسطة، والمرتفعة، على التوالي. ولتحسين حدود الاستبعاد في حالة عدم وجود فائض في الإشارة، تم تحديد منطقتين فرعيتين متعامدتين إضافيتين (SRLe, SRMe) بمتطلبات $E^{\text{miss}}_T$ أكثر صرامة.
• تقدير الخلفية: الخلفيات المهيمنة في النموذج المعياري هي $Z(\to\nu\bar{\nu})\gamma$ و $W\gamma$ و $t\bar{t}\gamma$. يتم تقدير هذه الخلفيات باستخدام محاكاة مونت كارلو (MC) التي يتم معايرتها مع البيانات في مناطق تحكم (CRs) مخصصة:
  • CRZ: يستخدم أحداث $Z(\to \ell\ell)\gamma$ لمعايرة $Z(\to\nu\bar{\nu})\gamma$.
  • CRW: يستخدم أحداث $W\gamma$ مع حظر النفاثات من نوع $b$ (b-jet veto).
  • CRT: يستخدم أحداث $t\bar{t}\gamma$ مع متطلبات نفاثات $b$.
    يتم تقدير الخلفيات الناتجة عن النفاثات أو الإلكترونات التي يتم تحديدها خطأً كفوتونات ("fakes") باستخدام تقنيات تعتمد على البيانات؛ حيث تُستخدم طريقة عد النطاق الجانبي (sideband counting) في مستوى التعريف والعزل لـ "فيكات" النفاثات، بينما تُشتق معدلات الخطأ من إلكترون إلى فوتون من عينات بيانات $Z(\to ee)$.
• التحليل الإحصائي: يتم إجراء ملاءمة احتمالية (likelihood fit) متزامنة عبر جميع مناطق التحكم ومناطق الإشارة. تقوم الملاءمة بتقييد معايرات الخلفية باستخدام مناطق التحكم وتضع حدوداً على المقاطع العرضية للإشارة. تُعامل حالات عدم اليقين المنهجية، بما في ذلك اللمعان، وأداء الكاشف (مقياس طاقة النفاثة، تعريف الفوتون)، والنمذجة النظرية (PDFs، والمقاييس)، كمعلمات مشوشة (nuisance parameters).

المساهمات الرئيسية

• استراتيجية بحث شاملة: على عكس بحوث ATLAS السابقة التي ركزت على توقيعات الدي فوتون الحصرية أو تحللات هيجز المحددة، يستخدم هذا التحليل اختياراً أكثر شمولاً يستهدف أي حالة نهائية تحتوي على فوتون واحد على الأقل ونفاثات، مما يوسع تغطية فضاء المعلمات بشكل كبير.
• مسح نسب التحلل: يفسر التحليل النتائج من خلال المسح عبر تركيبات مختلفة من نسب تحلل $\tilde{\chi}^0_1$ ($B(\tilde{\chi}^0_1 \to \gamma\tilde{G})$، و $B(\tilde{\chi}^0_1 \to Z\tilde{G}$، و $B(\tilde{\chi}^0_1 \to h\tilde{G}$)). وهذا يسمح باشتقاق حدود الاستبعاد كدالة لكل من كتلة النيوترالينو وتكوين تحلله، بدلاً من افتراض نسبة تحلل ثابتة.
• مدى كتلة ممتد: يمد البحث الحساسية لتصل إلى كتل الإليكترو-وِيكو حتى 1.2 تريليون إلكترون فولت، متجاوزاً مدى عمليات بحث الإليكترو-وِيكو السابقة في ATLAS.
• نمذجة شاملة للخلفية: توفر الدراسة تقديراً قوياً يعتمد على البيانات لخلفيات الفوتونات المزيفة، وتتحقق من نمذجة عمليات النموذج المعياري المهيمنة ($Z\gamma$، $W\gamma$، $t\bar{t}\gamma$) في المناطق الحركية ذات الصلة بالإشارة.

النتائج

• الملاحظة: لم يتم ملاحظة أي فائض معنوي في عدد الأحداث فوق توقعات النموذج المعياري في أي من مناطق الإشارة. نتائج الأحداث المرصودة متسقة مع توقعات الخلفية، حيث تظل الاختلافات دون مستويين معياريين.
• حدود الاستبعاد:
  • المستقلة عن النموذج: تم وضع حدود عليا بنسبة ثقة 95% (CL) على المقطع العرضي المرئي لعمليات الفيزياء الجديدة في جميع مناطق الإشارة.
  • المعتمدة على النموذج: تُفسر الحدود في سياق نماذج GGM. بالنسبة لسيناريوهات المعايرة حيث يتحلل $\tilde{\chi}^0_1$ بنسبة 50% إلى $\gamma\tilde{G}$ و50% إلى $Z\tilde{G}$ أو $h\tilde{G}$، يتم استبعاد كتل النيوترالينو حتى حوالي 1.2 تريليون إلكترون فولت.
  • نسب التحلل المتغيرة: عند مسح نسب التحلل، يتفاوت مدى الاستبعاد. يتم تحقيق أقصى كتلة استبعاد قدرها 1.2 تريليون إلكترون فولت في فضاء نسبة التحلل الصرفة للفوتون. ومع انخفاض نسبة التحلل إلى الفوتونات (على سبيل المثال، $B(\tilde{\chi}^0_1 \to \gamma\tilde{G}) = 10\%$)، ينخفض حد الاستبعاد إلى حوالي 450 جيجا إلكترون فولت، حيث تسود التحللات إلى $Z$ أو $h$. تقع أدنى كتلة مستبعدة في فضاء المعلمات الممسوح بين 170 و250 جيجا إلكترون فولت، اعتماداً على تكوين نسبة التحلل المحدد.

الأهمية
تدعي الورقة أن هذه النتيجة تكمل البحوث السابقة التي ركزت على قنوات الإنتاج القوية وبحوث الإليكترو-وِيكو السابقة ذات الحالات النهائية الأكثر تقييداً. من خلال استخدام مجموعة بيانات Run-2 الكاملة وتطبيق اختيار شامل مع مسح متغير لنسب التحلل، يوسع هذا التحليل نطاق البحث عن التناظر الفائق بوساطة القياس بشكل كبير. إن غياب الفائض يضع قيوداً صارمة على كتلة ومعلمات الخلط لنماذج مزيج "بينو-هيجزينو"، مما يسبر بالفعل قطاع الإليكترو-وِيكو حتى مقياس التيرا (TeV). النتائج متسقة مع النموذج المعياري وتوفر حدود استبعاد محدثة يمكن تفسيرها من حيث كتل الغاينو (gaugino) ونسب تحللها.