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

Utilizando 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV recopilados por el detector ATLAS, este estudio presenta una búsqueda de partículas de vida larga que decaen en pares de leptones de carga opuesta desplazados, estableciendo límites superiores líderes sobre las secciones eficaces de producción para modelos de referencia de $Z'$ y supersimetría con violación de paridad $R$, sin observar ningún evento candidato.

Lo esencial

La Gran Imagen: Caza de Partículas "Fantasma"

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como una arena gigante de choques de autos a alta velocidad. Los científicos chocan protones entre sí a casi la velocidad de la luz, con la esperanza de recrear las condiciones del universo justo después del Big Bang. Por lo general, cuando estas partículas chocan, se rompen en otras partículas que vuelan y golpean los detectores casi instantáneamente.

Pero, ¿qué pasa si algunas de estas partículas son como fantasmas? ¿Qué pasa si se crean en el choque, pero en lugar de desaparecer inmediatamente, viajan unos pocos centímetros o incluso metros a través del detector antes de finalmente "desaparecer" en algo que podemos ver? Estas se llaman Partículas de Vida Larga (LLP).

Este artículo es un informe del equipo ATLAS (un grupo masivo de científicos) que dice: "Miramos muy cuidadosamente estos fantasmas en nuestros datos de 2015–2018, pero no encontramos ninguno."

El Trabajo de Detective: Buscando "Vértices Desplazados"

Para encontrar estos fantasmas, los científicos tuvieron que buscar una pista específica llamada Vértice Desplazado (DV).

• El Escenario Normal: Por lo general, cuando se crean partículas, dejan un "anillo de humo" (una trayectoria) que comienza justo en el centro del choque (el Vértice Primario).
• El Escenario Fantasma: Si existe una partícula de vida larga, viaja lejos del centro y luego decae. Cuando decae, crea un nuevo "anillo de humo" (un par de partículas cargadas, como electrones o muones) que comienza lejos del centro.

La Analogía:
Imagina un espectáculo de fuegos artificiales.

• Partículas normales: El fuego artificial explota justo en tu mano, y las chispas salen inmediatamente.
• Partículas de vida larga: El fuego artificial se lanza al aire, vuela durante unos segundos y luego explota en el cielo. El "punto de explosión" (el vértice) está desplazado de donde lo lanzaste.

El detector ATLAS es una cámara gigante y de alta tecnología que toma fotos de estos fuegos artificiales. Los científicos construyeron un algoritmo especial para ignorar los fuegos artificiales que explotan en tu mano y solo buscar los que explotan en el cielo.

Los Tres Sospechosos (Modelos de Referencia)

Los científicos no solo buscaron cualquier fantasma; tenían tres "sospechosos" específicos en mente basados en teorías que extienden nuestra comprensión actual de la física (Modelo Estándar). Verificaron si estos sospechosos podrían estar escondidos en los datos:

1. El Escalar Pesado y el Bosón $Z'$: Imagina una partícula padre invisible y pesada (un escalar) que se divide en dos "hijos" de vida larga (bosones $Z'$). Estos hijos vuelan y finalmente se convierten en pares de partículas con carga opuesta (como un electrón y un positrón, o dos muones).
2. El Gluino y el Neutralino: En una teoría llamada Supersimetría (SUSY), hay partículas pesadas llamadas gluinos. Cuando decaen, podrían producir un "neutralino" (una partícula fantasmal) que vive un tiempo antes de convertirse en dos partículas cargadas y un neutrino.
3. El Electroweakino: Una variación de lo anterior, donde el neutralino es producido por otras partículas pesadas llamadas charginos o neutralinos más pesados.

La Estrategia de Búsqueda: Cómo Miraron

El equipo analizó 140 fb⁻¹ de datos. Para ponerlo en perspectiva, si un "fb" es un solo grano de arena, analizaron una montaña de datos.

• La Red: Configurar una red muy específica. Solo atraparon eventos donde:
  • Aparecieron dos partículas cargadas (leptones).
  • Formaron un "vértice" claro (un punto de encuentro) dentro del sistema de rastreo interno del detector.
  • Este punto de encuentro estaba desplazado (al menos a 2 mm del centro del choque).
  • Las partículas tenían suficiente energía para ser reales, no solo ruido aleatorio.
• El Ruido de Fondo: El universo es desordenado. A veces, trayectorias aleatorias se cruzan por accidente, o los rayos cósmicos (partículas del espacio) golpean el detector y parecen un decaimiento. Los científicos usaron matemáticas ingeniosas para estimar cuántos de estos "fantasmas falsos" deberían esperar.
  • Analogía: Si estás buscando un tipo específico de pájaro en un bosque, tienes que saber cuántas hojas se parecen a ese pájaro para no ser engañado.

Los Resultados: El Gran Silencio

El Veredicto: Encontraron cero eventos que coincidieran con sus criterios.

• La Expectativa: Basados en sus cálculos del ruido de fondo (accidentes aleatorios), esperaban ver un número diminuto de eventos (menos de uno, esencialmente cero).
• La Realidad: Vieron cero.

¡Esto es en realidad un buen resultado! Significa que su detector funciona perfectamente y sus cálculos de fondo son precisos. Sin embargo, también significa que no se encontraron nuevas partículas de vida larga en esta búsqueda específica.

Qué Significa Esto para la Física

Como no encontraron las partículas, no descubrieron una nueva ley de la física. En cambio, hicieron algo igualmente importante: Dibujaron un letrero de "Prohibido el Paso".

• Estableciendo Límites: Como no encontraron las partículas, pueden decir con un 95% de confianza: "Si estas partículas fantasma existen, no pueden ser tan pesadas, o no pueden vivir tanto tiempo, o no pueden producirse con tanta frecuencia."
• Descartando Teorías: Ahora han descartado un enorme trozo del "mapa" donde estas partículas podrían haberse escondido. Específicamente, excluyeron:
  • Escalares pesados decayendo en bosones $Z'$ con masas entre 0.1 y 2.2 TeV.
  • Neutralinos (de los modelos SUSY) con masas de hasta 2.2 TeV, siempre que vivan durante una cierta cantidad de tiempo (desde 1 mm hasta 10,000 mm de viaje).

La Conclusión

Piensa en este artículo como una búsqueda muy minuciosa de un gato perdido en una casa.

• Los científicos buscaron en cada habitación (el rastreador interno).
• Buscaron las huellas específicas del gato (el vértice desplazado de dos leptones).
• Verificaron huellas falsas hechas por el perro (ruido de fondo).
• Resultado: No se encontró ningún gato.

Conclusión: El gato no está en esta casa (o al menos, no en las habitaciones específicas y tamaños que estaban buscando). Esto le dice a los futuros cazadores de gatos (físicos) que necesitan buscar en casas diferentes, o quizás el gato es de un color diferente al que pensaban. La búsqueda continúa, pero los "escondites fáciles" han sido despejados.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsqueda de Partículas de Vida Larga Utilizando Vértices Desplazados de Leptones de Carga Opuesta

Problema y Motivación
Las partículas de vida larga (LLP) son una predicción bien motivada en diversas extensiones del Modelo Estándar (SM), incluidos los modelos de Valle Oculto, la supersimetría dividida, la supersimetría que viola la paridad R (RPV) y la ruptura de SUSY mediada por gauge. Estas partículas a menudo poseen longitudes de desintegración macroscópicas debido a acoplamientos pequeños, pequeñas divisiones de masa o simetrías aproximadas. Una LLP neutra que se desintegra en un par de leptones de carga opuesta ($\mu^+\mu^-$, $e^+e^-$ o $e^\pm\mu^\mp$) produce un vértice desplazado (DV) dentro del sistema de rastreo interno, una firma con un fondo mínimo del SM. Aunque búsquedas anteriores de ATLAS y CMS han dirigido partículas LLP más ligeras o han utilizado conjuntos de datos parciales, este análisis aborda la necesidad de una búsqueda exhaustiva utilizando todo el conjunto de datos de la Ejecución 2 (Run-2) para sondear escalas de masa más pesadas y un rango más amplio de vidas medias, incluidos los sabores de leptones mixtos ($e\mu$), los cuales no habían sido dirigidos previamente en este contexto específico por ATLAS.

Metodología
El análisis utiliza 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector ATLAS a $\sqrt{s} = 13$ TeV entre 2015 y 2018. La búsqueda dirige LLPs neutras pesadas que se desintegran en pares dileptónicos dentro del detector interno (ID).

• Reconstrucción: Para recuperar la eficiencia de las trazas originadas en desintegraciones desplazadas, el análisis emplea tanto el algoritmo de Trazas Estándar (ST) como el algoritmo de Trazas de Gran Radio (LRT). El algoritmo LRT relaja los requisitos sobre los parámetros de impacto transversal ($d_0$) y longitudinal ($z_0$) (hasta 300 mm y 1500 mm, respectivamente) y permite más módulos de silicio compartidos. Un algoritmo dedicado de reconstrucción de DV forma vértices a partir de combinaciones de trazas ST y LRT, requiriendo que no haya impactos entre el vértice y el vértice primario (PV) y al menos un impacto en la primera capa de píxeles o SCT a medida que la traza emerge del DV.
• Selección de Eventos: Los eventos se disparan utilizando disparadores de muones "solo MS" ($p_T > 60$ GeV) o disparadores de fotones (fotón único $p_T > 140$ GeV o dipotón $p_T > 50$ GeV) para evitar depender de la información de trazas del ID, que es ineficiente para objetos desplazados. Los eventos de señal requieren un PV con al menos dos trazas, un DV reconstruido con desplazamiento transversal $R_{xy} > 2$ mm, y un DV ubicado dentro de $R_{xy} < 300$ mm y $|z_{DV}| < 300$ mm. La masa invariante dileptónica debe superar los 12 GeV. Se aplica un veto de rayos cósmicos para rechazar pares de muones en direcciones opuestas.
• Estimación de Fondo: Los fondos del SM provenientes de desintegraciones prompt se suprimen mediante requisitos cinemáticos y geométricos. Los fondos restantes se estiman a partir de datos:
  • Rayos Cósmicos: Estimados utilizando una región de control con criterios de veto cósmico invertidos, extrapolando la distribución de $\Delta R_{cos}$.
  • Cruces Aleatorios de Trazas: Estimados utilizando un método de mezcla de eventos "juguete" donde se combinan leptones de diferentes eventos de datos. No se encontraron vértices desplazados dileptónicos reconstruidos en $10^6$–$10^8$ eventos juguete por canal, estableciendo un límite superior sobre la probabilidad de cruce aleatorio.
• Modelos de Referencia: Los resultados se interpretan en tres modelos:
  1. Modelo $Z'$: Producción en pares de un escalar pesado $S$ que se desintegra en bosones $Z'$ de vida larga, los cuales se desintegran en pares de leptones.
  2. Modelo de Gluino (RPV MSSM): Producción en pares de gluinos ($\tilde{g}$) que se desintegran en quarks y un neutralino de vida larga ($\tilde{\chi}^0_1$), el cual se desintegra mediante acoplamientos RPV ($\lambda_{121}$ o $\lambda_{122}$) a $\ell^+\ell'^-\nu$.
  3. Modelo EWkino (RPV MSSM): Producción directa de electroweakinos ($\tilde{\chi}^\pm_1\tilde{\chi}^0_1$, etc.) donde el $\tilde{\chi}^0_1$ es el LSP de vida larga.

Contribuciones Clave

• Conjunto de Datos Completo de Run-2: Este es el primer análisis publicado de ATLAS que utiliza los 140 fb$^{-1}$ completos de datos de Run-2 para una búsqueda de vértices desplazados dileptónicos.
• Cobertura de Sabores: Es la única búsqueda que incluye simultáneamente vértices desplazados para pares de dimuones, dielectrones y electrón-muón.
• Independencia de Modelos: La selección no requiere momento transversal faltante ni jets, y permite trazas adicionales en el DV, manteniendo la sensibilidad a una amplia gama de modelos.
• Eficiencia de Reconstrucción: La inclusión de trazas LRT y criterios de identificación modificados mejora significativamente la eficiencia de reconstrucción para leptones desplazados en comparación con análisis anteriores que dependían únicamente de trazas estándar o información del espectrómetro de muones.

Resultados
No se observaron eventos en la región de señal, consistente con la expectativa de fondo. Se establecen límites superiores sobre las secciones eficaces de producción al nivel de confianza del 95% utilizando el método $CL_s$.

• Modelo $Z'$: Se establecen límites para masas de escalar ($m_S$) de 0.5 a 1.5 TeV y masas de $Z'$ de 100 a 700 GeV. Para una $m_S$ fija, los bosones $Z'$ más ligeros están restringidos a vidas medias más largas, mientras que los bosones $Z'$ más pesados están restringidos a vidas medias más cortas debido a los impulsos cinemáticos.
• Modelo de Gluino: Para masas de gluino ($m_{\tilde{g}}$) de 1.5 a 2.5 TeV y masas de neutralino ($m_{\tilde{\chi}^0_1}$) de 0.1 a 1.7 TeV, el análisis excluye porciones significativas del espacio de parámetros de acoplamiento $\lambda_{121}$ y $\lambda_{122}$. Para $m_{\tilde{g}} = 1.5$ TeV, se excluyen vidas medias ($c\tau$) de 1 a 10,000 mm para la mayoría de las masas de neutralino.
• Modelo EWkino: Para masas de neutralino de 0.1 a 1.3 TeV, el análisis excluye vidas medias desde 1 mm hasta varios metros, dependiendo de la masa y el acoplamiento. Para $m_{\tilde{\chi}^0_1} \le 0.5$ TeV, se excluye el rango completo de vidas medias consideradas (1–10,000 mm).

Significancia
El artículo afirma que este análisis establece límites líderes sobre las secciones eficaces de producción para múltiples modelos, incluido un espacio de parámetros que nunca ha sido sondeado directamente. Específicamente, proporciona los primeros límites sobre modelos de neutralinos de vida larga y alta masa utilizando modos de producción de gluinos y electroweakinos con desintegraciones en pares de leptones (con la excepción de las desintegraciones de neutralinos producidos por gluinos en muones dirigidas en una búsqueda anterior solo del espectrómetro de muones). Los resultados complementan búsquedas anteriores al extender el alcance de masa y cubrir el rango completo de datos de Run-2, ofreciendo una prueba robusta de la SUSY RPV y escenarios genéricos de $Z'$ en el régimen de LLP pesadas.