Search for charginos and neutralinos with $B-L$ $R$-parity violating decays in $\sqrt{s}=13$ TeV and $13.6$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

Das ATLAS-Experiment analysierte 140 fb$^{-1}$ 13-TeV- und 56 fb$^{-1}$ 13,6-TeV-Proton-Proton-Kollisionsdaten, um nach Charginos und Neutralinos zu suchen, die über $B-L$-R-Paritäts-verletzende Kopplungen in Higgs-Bosonen und Leptonen zerfallen, wobei keine Evidenz für neue Physik gefunden wurde und Ausschlussgrenzen für Chargino- und Neutralinomassen bis zu 1100 GeV auf dem 95%-Konfidenzniveau gesetzt wurden.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich den Large Hadron Collider (LHC) als den weltweit mächtigsten „Teilchenzertrümmerer" vor. Er schleudert winzige Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit gegeneinander und erzeugt eine chaotische Energieexplosion. Normalerweise verwandelt sich diese Energie in uns bekannte und verständliche Teilchen wie Elektronen und Quarks. Doch Physiker vermuten, dass in diesem Chaos „Superpartner" verborgen sind – geisterhafte, schwerere Zwillinge der uns bekannten Teilchen, die von einer Theorie namens Supersymmetrie (SUSY) vorhergesagt werden.

Dieser Bericht stammt vom ATLAS-Experiment, einem riesigen Detektor am LHC, der wie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit 360-Grad-Aufnahme funktioniert, die versucht, einen Blick auf diese geisterhaften Zwillinge zu erhaschen. Konkret suchte das Team nach zwei Arten von Superpartnern: Charginos und Neutralinos.

Das Rätsel: Die „R-Parität"-Regel

In vielen Versionen dieser Theorie gibt es eine Regel namens R-Parität. Stellen Sie sich die R-Parität wie einen strengen Türsteher in einem Club vor.

• Normale Teilchen (wie Elektronen) haben einen „R-Wert" von +1.
• Superpartner haben einen „R-Wert" von -1.
• Die Regel: Wenn die R-Parität erhalten bleibt, müssen Superpartner in Paaren erzeugt werden und können niemals zu nur normalen Teilchen zerfallen. Der leichteste Superpartner wäre stabil und unsichtbar und würde dem Detektor wie ein Geist entkommen.

Dieser Papier untersucht jedoch ein anderes Szenario: R-Paritätsverletzung (RPV). Stellen Sie sich vor, der Türsteher wird müde und lässt die Superpartner entkommen, die direkt in normale Teilchen zerfallen. In diesem spezifischen Modell wird vorhergesagt, dass Charginos und Neutralinos in ein Higgs-Boson (ein berühmtes Teilchen, das anderen Masse verleiht) und ein Lepton (ein Elektron, Myon oder Tau) zerfallen.

Die Jagd: Die „Higgs-Signatur" finden

Das ATLAS-Team richtete eine sehr spezifische Falle ein, um diese Zerfälle zu fangen. Sie wussten, dass, wenn ein Chargino oder Neutralino in ein Higgs-Boson zerfällt, dieses Higgs-Boson fast sofort in zwei Bottom-Quarks zerfällt (die sich im Detektor als „Jets" von Teilchen manifestieren).

Die Suchstrategie war also wie das Suchen nach einem bestimmten Muster in einem unordentlichen Raum:

1. Die Leptonen: Sie suchten nach Ereignissen mit einem oder zwei hochenergetischen Elektronen oder Myonen (den „Leptonen" aus dem Zerfall).
2. Die Higgs-Zwillinge: Sie suchten nach mindestens drei „Jets", die als von Bottom-Quarks stammend markiert waren. Da das Signal den Zerfall von zwei Superpartnern beinhaltet, erwarteten sie zwei Higgs-Bosonen, was vier Bottom-Quark-Jets bedeutet.
3. Das fehlende Stück: In einigen Szenarien wird auch ein Neutrino (ein unsichtbares Teilchen) erzeugt, das Energie davonträgt. Der Detektor misst dies als „fehlenden transversalen Impuls".

Die Daten: Eine riesige Bibliothek von Kollisionen

Das Team analysierte eine massive Bibliothek von Daten:

• Zeitraum: Kollisionen von 2015 bis 2023.
• Energie: Zwei verschiedene Energieniveaus (13 TeV und 13,6 TeV).
• Volumen: Sie untersuchten 196 „inverse Femtobarn" an Daten. Um dies zu veranschaulichen: Stellen Sie sich vor, Sie machen einen Schnappschuss von jeder einzelnen Kollision, die in diesen Jahren stattfand. Es ist ein Datensatz so groß, dass ein Supercomputer ohne die speziellen Werkzeuge, die ATLAS entwickelt hat, Jahre bräuchte, um ihn zu verarbeiten.

Die Ergebnisse: Die Geister bleiben verborgen

Nachdem das Team Millionen von Ereignissen durchsucht hatte, fand es keine Hinweise auf diese Charginos oder Neutralinos.

• Der Vergleich: Sie verglichen, was sie in den Daten sahen, mit den Vorhersagen des Standardmodells (unsere derzeit beste Theorie der Physik). Die Daten stimmten perfekt mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Es ist wie das Suchen nach einer bestimmten Art von Alien in einem Wald und nur Hirsche, Bäume und Vögel zu finden – genau das, was man erwarten würde.
• Der Ausschluss: Da sie die Teilchen nicht fanden, konnten sie einen „Zaun" darum ziehen, wo diese Teilchen nicht sein können. Sie kamen zu dem Schluss, dass, wenn diese Charginos und Neutralinos existieren und auf diese Weise zerfallen, sie schwerer als 1.100 GeV sein müssen (etwa das 1.100-fache der Masse eines Protons). Wenn sie leichter wären, hätte der ATLAS-Detektor sie inzwischen gesehen.

Das Fazit

Das Papier kommt zu dem Schluss, dass für das spezifische Szenario, in dem diese Superpartner in Higgs-Bosonen und Leptonen zerfallen, die „leichten" Versionen (zwischen 150 und 1.100 GeV) nicht existieren.

Einfach ausgedrückt: Das ATLAS-Team suchte sehr intensiv nach einer bestimmten Art schwerer, geisterhafter Teilchen, die die üblichen Regeln der Physik brechen. Sie fanden nichts als das erwartete Hintergrundrauschen. Obwohl dies nicht beweist, dass diese Teilchen überhaupt nicht existieren, sagt es uns, dass sie entweder viel schwerer sind als gedacht, oder dass sie nicht auf die Weise zerfallen, die diese spezifische Theorie vorhersagt. Die Suche nach der „neuen Physik" geht weiter, aber diese spezielle Tür bleibt vorerst verschlossen.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Suche nach Charginos und Neutralinos mit $B-L$-R-Paritätsverletzenden Zerfällen in $\sqrt{s}=13$ TeV und 13,6 TeV $pp$-Kollisionen mit dem ATLAS-Detektor

Problemstellung und Motivation
Die Supersymmetrie (SUSY) bietet eine Lösung für das Hierarchieproblem innerhalb des Standardmodells (SM), doch der vollständige Parameterraum erlaubt die Verletzung der Baryonenzahl ($B$) und der Leptonenzahl ($L$). Obwohl oft eine Erhaltung der $R$-Parität erzwungen wird, um einen schnellen Protonenzerfall zu verhindern, existieren phänomenologisch viable $R$-Paritätsverletzende (RPV) Theorien. Insbesondere führt das $B-L$-Minimal Supersymmetrische Standardmodell ($B-L$ MSSM) eine $U(1)_{B-L}$-Eichsymmetrie und rechtshändige sterile Neutrinos ein. In diesem Rahmen verletzt der spontane Bruch der $U(1)_{B-L}$-Symmetrie die Leptonenzahl und ermöglicht es, dass Superpartner direkt in SM-Teilchen zerfallen.

Diese Arbeit zielt auf ein spezifisches Szenario ab, das ein wino-artiges leichtestes supersymmetrisches Teilchen (LSP) und ein nächstleichtestes supersymmetrisches Teilchen (NLSP) beinhaltet. In diesem Modell sind das Chargino ($\tilde{\chi}^\pm_1$) und das Neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$) nahezu masseentartet (Aufspaltung $< 200$ MeV), was die Standardzerfälle unter Erhaltung der $R$-Parität unterdrückt. Stattdessen unterliegen diese Teilchen prompten RPV-Zerfällen, hauptsächlich in ein Higgs-Boson ($h$) und ein Lepton ($\ell$) oder Neutrino ($\nu$): $\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ und $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$. Frühere ATLAS-Suchen zielten auf RPV-Zerfälle in $Z$-Bosonen oder Stop-Quarks ab; diese Analyse bietet komplementäre Sensitivität durch den Fokus auf den Higgs-Boson-Zerfallskanal ($h \to b\bar{b}$), einen Bereich des Phasenraums, der für diese spezifischen Produktionsmodi von elektroschwachenino-Teilchen bisher weniger untersucht wurde.

Methodik
Die Analyse verwendet Proton-Proton-Kollisionsdaten, die vom ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider (LHC) zwischen 2015 und 2023 gesammelt wurden. Der Datensatz umfasst eine integrierte Luminosität von 196 fb$^{-1}$, aufgeteilt in 140 fb$^{-1}$ bei $\sqrt{s}=13$ TeV (Run 2) und 56 fb$^{-1}$ bei $\sqrt{s}=13,6$ TeV (Run 3).

• Signal-Topologie: Die Suche richtet sich auf die elektroschwache Paarproduktion ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$) und die assoziierte Produktion ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$).
  • Der Kanal $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ führt zu einem Endzustand mit zwei leptonen entgegengesetzter Ladung und zwei Higgs-Bosonen (vier $b$-Jets).
  • Der Kanal $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ führt zu einem Lepton, zwei Higgs-Bosonen (vier $b$-Jets) und fehlendem transversalem Impuls ($E_T^{\text{miss}}$) vom Neutrino.
• Ereignisselektion: Ereignisse müssen mindestens vier Jets aufweisen, wobei mindestens drei als $b$-getaggte Jets unter Verwendung des GN2-Algorithmus identifiziert werden. Die Leptonselektion erfordert Elektronen oder Myonen mit hohem $p_T$ ($p_T > 40$ GeV).
  • Zwei-Lepton-Bereich (SR2$\ell$): Erfordert zwei Leptonen entgegengesetzter Ladung. Die Analyse rekonstruiert zwei Higgs-Boson-Kandidaten und zwei Chargino-Kandidaten. Die Variable $A_C$ (Massenasymmetrie zwischen den beiden rekonstruierten Chargino-Kandidaten) wird zur Unterdrückung des Untergrunds verwendet.
  • Ein-Lepton-Bereich (SR1$\ell$): Erfordert ein Lepton und signifikantes $E_T^{\text{miss}}$. Die Neutralino-Masse wird über die transversale Masse ($m_{N,T}$) unter Verwendung eines Higgs-Kandidaten und $E_T^{\text{miss}}$ rekonstruiert.
• Untergrundschätzung: Der dominante Untergrund ist die Paarproduktion von Top-Quarks ($t\bar{t}$), insbesondere $t\bar{t}$ mit Jets schwerer Flavour ($t\bar{t}+b$). Die Normalisierung des Untergrunds wird aus Daten unter Verwendung von Kontrollregionen (CRs) abgeleitet, die spezifische Signalselektionskriterien invertieren (z. B. Higgs-Massenfenster oder kinematische Variablen). Validierungsregionen (VRs) bestätigen die Extrapolation der Untergrundmodelle.
• Statistische Analyse: Ein Profil-Likelihood-Fit wird unter Verwendung des pyhf-Frameworks durchgeführt. Systematische Unsicherheiten (experimentell, theoretisch und MC-statistisch) werden als Störparameter behandelt. Grenzen werden mit 95 % Konfidenzniveau (CL) unter Verwendung der $CL_s$-Vorschrift gesetzt.

Hauptbeiträge

1. Erste Einschränkungen für den Higgs-Kanal bei RPV: Diese Arbeit präsentiert die ersten Suchbeschränkungen für die Produktion von Charginos und Neutralinos, bei denen der dominante Zerfallskanal innerhalb des $B-L$-MSSM-Rahmens in ein Higgs-Boson und ein Lepton/Neutrino erfolgt.
2. Fortschrittliches $b$-Tagging: Die Analyse nutzt den GN2-Transformer-basierten $b$-Tagging-Algorithmus, der im Vergleich zu früheren Algorithmen eine verbesserte Untergrundunterdrückung bietet, was für die Isolierung des $h \to b\bar{b}$-Signals entscheidend ist.
3. Kombinierte Daten aus Run 2 und Run 3: Die Analyse integriert Daten aus dem LHC Run 2 (13 TeV) und Run 3 (13,6 TeV) und nutzt die erhöhte Luminosität und Energie, um höhere Massbereiche zu untersuchen.
4. Flavorspezifische Grenzen: Über die Standardannahme gleicher Verzweigungsverhältnisse für alle Lepton-Flavours hinaus leitet die Analyse spezifische Grenzen für reine Elektron-, reine Myon- und reine Tau-Szenarien ab und zeigt die Auswirkungen der Lepton-Rekonstruktionseffizienz auf die Sensitivität.

Ergebnisse
Die beobachteten Daten sind über alle Signalebereiche hinweg mit den Vorhersagen des Standardmodells vereinbar. Es wurde kein signifikanter Überschuss an Ereignissen beobachtet.

• Modellunabhängige Grenzen: Obergrenzen wurden für den sichtbaren Wirkungsquerschnitt für Prozesse jenseits des Standardmodells in vier „Entdeckungsregionen" (SR2$\ell$, SR2$\ell$700, SR1$\ell$, SR1$\ell$600) festgelegt.
• Modellabhängige Ausschlüsse:
  • Für das Szenario, bei dem Charginos und Neutralinos mit einem Verzweigungsverhältnis von 100 % in $h\ell$ bzw. $h\nu$ zerfallen und unter der Annahme gleicher Verzweigungsverhältnisse für Elektron-, Myon- und Tau-Flavours, werden Charginos und Neutralinos mit Massen zwischen 150 GeV und 1100 GeV bei 95 % CL ausgeschlossen.
  • Für die reine Elektron-Hypothese werden Massen zwischen 150 GeV und 1225 GeV ausgeschlossen.
  • Für die reine Myon-Hypothese werden Massen zwischen 150 GeV und 1150 GeV ausgeschlossen.
  • Für die reine Tau-Hypothese werden Massen zwischen 450 GeV und 750 GeV ausgeschlossen. Die geringere Sensitivität für den Tau-Kanal wird der Schwierigkeit bei der Rekonstruktion von hadronisch zerfallenden Taus und dem Energieverlust bei leptonischen Tau-Zerfällen zugeschrieben, was häufig dazu führt, dass Tochterleptonen unter den $p_T$-Schwellenwert fallen.

Bedeutung
Die Arbeit behauptet, dass diese Ergebnisse die ersten Einschränkungen für das vereinfachte Signalmodell für Charginos und Neutralinos liefern, die über Higgs-Bosonen im Kontext der $B-L$-$R$-Paritätsverletzung zerfallen. Der Ausschluss von Massen bis zu 1100–1225 GeV (abhängig von der Flavorthese) erweitert die Reichweite früherer Suchen, die $Z$-Boson-Zerfälle anvisierten (die Massen bis zu ~975 GeV ausschlossen), erheblich. Die Analyse zeigt, dass der Higgs-Zerfallskanal trotz der anspruchsvollen Multiplizität von $b$-Jets und der Untergrundumgebung eine leistungsfähige und komplementäre Sonde für die Produktion von elektroschwachenino-Teilchen in RPV-Szenarien darstellt. Die Ergebnisse werden als Grenzen für modellunabhängige Wirkungsquerschnitte und spezifische Parameter des Minimal Supersymmetrischen Standardmodells interpretiert und tragen zum breiteren Bemühen bei, den SUSY-Parameterraum einzuschränken.