Search for long-lived particles using displaced vertices of oppositely charged leptons in 140 fb$^{-1}$ of pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Unter Verwendung von 140 fb$^{-1}$ an Proton-Proton-Kollisionsdaten bei 13 TeV, die vom ATLAS-Detektor aufgezeichnet wurden, stellt diese Studie eine Suche nach langlebigen Teilchen vor, die in versetzte Leptonpaare mit entgegengesetzter Ladung zerfallen, und setzt führende Obergrenzen für die Produktionswirkungsquerschnitte von Benchmark-$Z'$- und $R$-Paritätsverletzenden supersymmetrischen Modellen, ohne dabei Kandidatenereignisse zu beobachten.

Das Wesentliche

Das große Ganze: Jagd nach „Geister"-Teilchen

Stellen Sie sich den Large Hadron Collider (LHC) als eine riesige Hochgeschwindigkeits-Autorennbahn vor, auf der Unfälle stattfinden. Wissenschaftler lassen Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammenprallen, in der Hoffnung, die Bedingungen des Universums kurz nach dem Urknall nachzubilden. Normalerweise zerfallen diese Teilchen beim Aufprall sofort in andere Teilchen, die davonfliegen und Detektoren fast augenblicklich treffen.

Aber was, wenn einige dieser Teilchen wie Geister sind? Was, wenn sie beim Aufprall entstehen, aber statt sofort zu verschwinden, einige Zentimeter oder sogar Meter durch den Detektor reisen, bevor sie schließlich „puff" in etwas machen, das wir sehen können? Diese werden langlebige Teilchen (LLPs) genannt.

Dieses Papier ist ein Bericht des ATLAS-Teams (eine riesige Gruppe von Wissenschaftlern), der besagt: „Wir haben unsere Daten von 2015 bis 2018 sehr sorgfältig nach diesen Geistern durchsucht, aber wir haben keine gefunden."

Die Detektivarbeit: Suche nach „versetzten Vertizes"

Um diese Geister zu finden, mussten die Wissenschaftler nach einem spezifischen Hinweis suchen, der Displaced Vertex (DV) (versetzter Vertix) genannt wird.

• Das normale Szenario: Normalerweise hinterlassen Teilchen, wenn sie entstehen, einen „Rauchring" (eine Spur), der genau im Zentrum des Aufpralls beginnt (dem Primärvertex).
• Das Geisterszenario: Wenn ein langlebiges Teilchen existiert, fliegt es vom Zentrum weg und zerfällt dann. Wenn es zerfällt, erzeugt es einen neuen „Rauchring" (ein Paar geladener Teilchen, wie Elektronen oder Myonen), der weit entfernt vom Zentrum beginnt.

Die Analogie:
Stellen Sie sich ein Feuerwerk vor.

• Normale Teilchen: Die Rakete explodiert direkt in Ihrer Hand, und die Funken fliegen sofort heraus.
• Langlebige Teilchen: Die Rakete wird in die Luft geschossen, fliegt einige Sekunden lang und explodiert dann am Himmel. Der „Explosionspunkt" (der Vertix) ist von Ihrem Startpunkt versetzt.

Der ATLAS-Detektor ist eine riesige, hochtechnologische Kamera, die Bilder dieser Feuerwerke macht. Die Wissenschaftler entwickelten einen speziellen Algorithmus, um die Feuerwerke zu ignorieren, die in Ihrer Hand explodieren, und nur nach denen zu suchen, die am Himmel explodieren.

Die drei Verdächtigen (Benchmark-Modelle)

Die Wissenschaftler suchten nicht einfach nach irgendeinem Geist; sie hatten drei spezifische „Verdächtige" im Sinn, basierend auf Theorien, die unser derzeitiges Verständnis der Physik (Standardmodell) erweitern. Sie prüften, ob sich diese Verdächtigen in den Daten verstecken könnten:

1. Das schwere Skalar und das $Z'$-Boson: Stellen Sie sich ein schweres, unsichtbares Elternteil (ein Skalar) vor, das in zwei langlebige „Kinder" ($Z'$-Bosonen) zerfällt. Diese Kinder fliegen davon und verwandeln sich schließlich in Paare entgegengesetzt geladener Teilchen (wie ein Elektron und ein Positron oder zwei Myonen).
2. Das Gluino und das Neutralino: In einer Theorie namens Supersymmetrie (SUSY) gibt es schwere Teilchen namens Gluinos. Wenn sie zerfallen, könnten sie ein „Neutralino" (ein geisterhaftes Teilchen) erzeugen, das eine Weile lebt, bevor es in zwei geladene Teilchen und ein Neutrino umgewandelt wird.
3. Das Elektroschwachino: Eine Variante des oben Genannten, bei der das Neutralino von anderen schweren Teilchen erzeugt wird, die Charginos oder schwerere Neutralinos genannt werden.

Die Suchstrategie: Wie sie suchten

Das Team analysierte 140 fb⁻¹ an Daten. Um das in Perspektive zu setzen: Wenn ein „fb" ein einzelnes Sandkorn wäre, hätten sie einen Berg an Daten analysiert.

• Das Netz: Sie stellten ein sehr spezifisches Netz auf. Sie fingen nur Ereignisse auf, bei denen:
  • Zwei geladene Teilchen (Leptonen) auftraten.
  • Sie einen klaren „Vertix" (einen Treffpunkt) innerhalb des inneren Spurensystems des Detektors bildeten.
  • Dieser Treffpunkt versetzt war (mindestens 2 mm vom Zentrum des Aufpralls entfernt).
  • Die Teilchen genug Energie hatten, um echt zu sein und nicht nur zufälliges Rauschen.
• Das Hintergrundrauschen: Das Universum ist chaotisch. Manchmal kreuzen sich zufällige Spuren aus Versehen, oder kosmische Strahlung (Teilchen aus dem Weltraum) trifft den Detektor und sieht wie ein Zerfall aus. Die Wissenschaftler verwendeten clevere Mathematik, um abzuschätzen, wie viele dieser „falschen Geister" sie erwarten sollten.
  • Analogie: Wenn Sie nach einer bestimmten Vogelart in einem Wald suchen, müssen Sie wissen, wie viele Blätter wie dieser Vogel aussehen, damit Sie nicht getäuscht werden.

Die Ergebnisse: Die große Stille

Das Urteil: Sie fanden null Ereignisse, die ihren Kriterien entsprachen.

• Die Erwartung: Basierend auf ihren Berechnungen des Hintergrundrauschens (zufällige Unfälle) erwarteten sie, eine winzige Anzahl von Ereignissen zu sehen (weniger als eins, im Wesentlichen null).
• Die Realität: Sie sahen null.

Das ist eigentlich ein gutes Ergebnis! Es bedeutet, dass ihr Detektor perfekt funktioniert und ihre Hintergrundberechnungen genau sind. Es bedeutet jedoch auch, dass keine neuen langlebigen Teilchen in dieser spezifischen Suche gefunden wurden.

Was das für die Physik bedeutet

Da sie die Teilchen nicht gefunden haben, haben sie kein neues Naturgesetz entdeckt. Stattdessen haben sie etwas ebenso Wichtiges getan: Sie haben ein „Betreten verboten"-Schild aufgestellt.

• Festlegung von Grenzen: Da sie die Teilchen nicht gefunden haben, können sie mit 95%iger Sicherheit sagen: „Wenn diese Geiserteilchen existieren, können sie nicht so schwer sein, oder sie können nicht so lange leben, oder sie können nicht so häufig produziert werden."
• Ausschluss von Theorien: Sie haben nun einen riesigen Teil der „Karte" ausgeschlossen, auf der sich diese Teilchen möglicherweise versteckt hätten. Konkret schlossen sie aus:
  • Schwere Skalare, die in $Z'$-Bosonen mit Massen zwischen 0,1 und 2,2 TeV zerfallen.
  • Neutralinos (aus den SUSY-Modellen) mit Massen bis zu 2,2 TeV, sofern sie für eine bestimmte Zeit leben (von 1 mm bis 10.000 mm Flugstrecke).

Das Fazit

Denken Sie an dieses Papier als eine sehr gründliche Suche nach einer verlorenen Katze in einem Haus.

• Die Wissenschaftler suchten in jedem Raum (dem inneren Spurensystem).
• Sie suchten nach den spezifischen Pfotenabdrücken der Katze (dem versetzten Vertix zweier Leptonen).
• Sie prüften auf gefälschte Pfotenabdrücke, die vom Hund gemacht wurden (Hintergrundrauschen).
• Ergebnis: Keine Katze wurde gefunden.

Schlussfolgerung: Die Katze ist nicht in diesem Haus (oder zumindest nicht in den spezifischen Räumen und Größen, nach denen sie suchten). Das sagt zukünftigen Katzenjägern (Physikern), dass sie in anderen Häusern suchen müssen oder dass die Katze vielleicht eine andere Farbe hat, als sie dachten. Die Suche geht weiter, aber die „einfachen" Verstecke wurden geräumt.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Suche nach langlebigen Teilchen mittels verschobener Vertizes von entgegengesetzt geladenen Leptonen

Problemstellung und Motivation
Langlebige Teilchen (LLPs) sind eine gut motivierte Vorhersage in verschiedenen Erweiterungen des Standardmodells (SM), einschließlich Hidden-Valley-Modellen, aufgespaltenen Supersymmetrien, $R$-Paritäts-verletzenden (RPV) Supersymmetrien und gauge-vermitteltem SUSY-Bruch. Diese Teilchen besitzen oft makroskopische Zerfallslängen aufgrund kleiner Kopplungen, kleiner Massenaufspaltungen oder angenäherter Symmetrien. Ein neutrales LLP, das in ein Paar entgegengesetzt geladener Leptonen zerfällt ($\mu^+\mu^-$, $e^+e^-$ oder $e^\pm\mu^\mp$), erzeugt einen verschobenen Vertiz (DV) innerhalb des inneren Spurensystems, ein Signal mit minimalem SM-Hintergrund. Während frühere Suchen von ATLAS und CMS leichtere LLPs anvisierten oder Teildatensätze nutzten, adressiert diese Analyse die Notwendigkeit einer umfassenden Suche unter Verwendung des gesamten Run-2-Datensatzes, um schwerere Massenskalen und einen breiteren Bereich von Lebensdauern zu untersuchen, einschließlich gemischter Lepton-Flavours ($e\mu$), die in diesem spezifischen Kontext von ATLAS zuvor nicht gezielt untersucht wurden.

Methodik
Die Analyse nutzt 140 fb$^{-1}$ an Proton-Proton-Kollisionsdaten, die vom ATLAS-Detektor bei $\sqrt{s} = 13$ TeV zwischen 2015 und 2018 gesammelt wurden. Die Suche richtet sich auf schwere, neutrale LLPs, die in Leptonenpaare innerhalb des inneren Detektors (ID) zerfallen.

• Rekonstruktion: Um die Effizienz für Spuren zu erhöhen, die von verschobenen Zerfällen stammen, setzt die Analyse sowohl den Standard-Spur-Algorithmus (ST) als auch den Large-Radius-Spur-Algorithmus (LRT) ein. Der LRT-Algorithmus lockert die Anforderungen an transversale ($d_0$) und longitudinale ($z_0$) Stoßparameter (bis zu 300 mm bzw. 1500 mm) und erlaubt mehr gemeinsame Siliziummodule. Ein dedizierter DV-Rekonstruktion-Algorithmus bildet Vertizes aus Kombinationen von ST- und LRT-Spuren, wobei keine Hits zwischen dem Vertiz und dem Primärvertiz (PV) gefordert werden und mindestens ein Hit in der ersten Pixel- oder SCT-Schicht, sobald die Spur aus dem DV austritt.
• Ereignisauswahl: Ereignisse werden durch „MS only"-Myon-Triggers ($p_T > 60$ GeV) oder Photon-Triggers (einzelnes Photon $p_T > 140$ GeV oder Diphoton $p_T > 50$ GeV) ausgelöst, um eine Abhängigkeit von ID-Spurinformationen zu vermeiden, die für verschobene Objekte ineffizient ist. Signalevents erfordern einen PV mit mindestens zwei Spuren, einen rekonstruierten DV mit transversaler Verschiebung $R_{xy} > 2$ mm und einen DV, der innerhalb von $R_{xy} < 300$ mm und $|z_{DV}| < 300$ mm liegt. Die invariante Masse des Leptonenpaares muss 12 GeV überschreiten. Ein Veto gegen kosmische Strahlung wird angewendet, um gegenläufige Myonpaare abzulehnen.
• Hintergrundschätzung: SM-Hintergründe aus prompten Zerfällen werden durch kinematische und geometrische Anforderungen unterdrückt. Die verbleibenden Hintergründe werden aus Daten geschätzt:
  • Kosmische Strahlung: Geschätzt unter Verwendung eines Kontrollbereichs mit invertierten Kriterien für das kosmische Veto, wobei die $\Delta R_{cos}$-Verteilung extrapoliert wird.
  • Zufällige Spurkreuzungen: Geschätzt unter Verwendung einer „Toy"-Ereignismischmethode, bei der Leptonen aus verschiedenen Datenevents kombiniert werden. In $10^6$–$10^8$ Toy-Ereignissen pro Kanal wurden keine rekonstruierten dileptonischen DVs gefunden, was eine Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Kreuzung festlegt.
• Benchmark-Modelle: Die Ergebnisse werden in drei Modellen interpretiert:
  1. $Z'$-Modell: Paarproduktion eines schweren Skalars $S$, der in langlebige $Z'$-Bosonen zerfällt, welche in Leptonenpaare zerfallen.
  2. Gluino-Modell (RPV MSSM): Paarproduktion von Gluinos ($\tilde{g}$), die in Quarks und ein langlebiges Neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$) zerfallen, welches über RPV-Kopplungen ($\lambda_{121}$ oder $\lambda_{122}$) in $\ell^+\ell'^-\nu$ zerfällt.
  3. EWkino-Modell (RPV MSSM): Direkte Produktion von Elektroweakinos ($\tilde{\chi}^\pm_1\tilde{\chi}^0_1$, usw.), wobei das $\tilde{\chi}^0_1$ das langlebige LSP ist.

Hauptbeiträge

• Vollständiger Run-2-Datensatz: Dies ist die erste veröffentlichte ATLAS-Analyse, die die vollen 140 fb$^{-1}$ an Run-2-Daten für eine Suche nach dileptonischen verschobenen Vertizes verwendet.
• Flavour-Abdeckung: Es ist die einzige Suche, die gleichzeitig verschobene Vertizes für Dimuonen, Dielektronen und Elektron-Myon-Paare einschließt.
• Modellunabhängigkeit: Die Auswahl erfordert keinen fehlenden transversalen Impuls oder Jets und erlaubt zusätzliche Spuren im DV, wodurch die Sensitivität für eine breite Palette von Modellen erhalten bleibt.
• Rekonstruktionseffizienz: Die Einbeziehung von LRT-Spuren und modifizierte Identifikationskriterien verbessern die Rekonstruktionseffizienz für verschobene Leptonen im Vergleich zu früheren Analysen, die sich ausschließlich auf Standardspuren oder Informationen des Myon-Spektrometers stützten.

Ergebnisse
Es wurden keine Ereignisse im Signalfenster beobachtet, was mit der Hintergrundserwartung konsistent ist. Obergrenzen für die Produktionsquerschnitte werden auf dem 95%-Konfidenzniveau unter Verwendung der $CL_s$-Methode festgelegt.

• $Z'$-Modell: Grenzen werden für Skalar-Massen ($m_S$) von 0,5 bis 1,5 TeV und $Z'$-Massen von 100 bis 700 GeV gesetzt. Für eine feste $m_S$ werden leichtere $Z'$-Bosonen auf längere Lebensdauern eingeschränkt, während schwerere $Z'$-Bosonen aufgrund kinematischer Boosts auf kürzere Lebensdauern eingeschränkt werden.
• Gluino-Modell: Für Gluino-Massen ($m_{\tilde{g}}$) von 1,5 bis 2,5 TeV und Neutralino-Massen ($m_{\tilde{\chi}^0_1}$) von 0,1 bis 1,7 TeV schließt die Analyse signifikante Teile des Kopplungsparameterraums für $\lambda_{121}$ und $\lambda_{122}$ aus. Für $m_{\tilde{g}} = 1,5$ TeV werden Lebensdauern ($c\tau$) von 1 bis 10.000 mm für die meisten Neutralino-Massen ausgeschlossen.
• EWkino-Modell: Für Neutralino-Massen von 0,1 bis 1,3 TeV schließt die Analyse Lebensdauern von 1 mm bis zu mehreren Metern aus, abhängig von der Masse und Kopplung. Für $m_{\tilde{\chi}^0_1} \le 0,5$ TeV wird der gesamte betrachtete Bereich der Lebensdauern (1–10.000 mm) ausgeschlossen.

Bedeutung
Die Arbeit behauptet, dass diese Analyse führende Grenzen für die Produktionsquerschnitte mehrerer Modelle setzt, einschließlich Parameterräume, die noch nie direkt untersucht wurden. Insbesondere liefert sie die ersten Grenzen für hochmassige, langlebige Neutralino-Modelle unter Verwendung von Gluino- und Elektroweakino-Produktionsmodi mit Zerfällen in Leptonenpaare (mit Ausnahme von Gluino-produzierten Neutralino-Zerfällen in Myonen, die in einer früheren, nur das Myon-Spektrometer nutzenden Suche anvisiert wurden). Die Ergebnisse ergänzen frühere Suchen durch Erweiterung der Reichweite in der Masse und Abdeckung des gesamten Bereichs der Run-2-Daten und bieten einen robusten Test von RPV-SUSY und generischen $Z'$-Szenarien im Regime schwerer LLPs.