Searches for strong production of supersymmetric particles with the ATLAS detector

Este artículo presenta los últimos resultados de ATLAS de colisiones del LHC a 13 y 13,6 TeV sobre búsquedas de la producción fuerte de partículas supersimétricas, específicamente dirigidas a gluinos y squarks (incluyendo stops) a través de varios modos de desintegración para abordar la naturalidad y explorar escenarios más allá de lo mínimo.

Lo esencial

Imagina el universo como una gigantesca pista de carreras de alta velocidad llamada el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Dentro de esta pista, los científicos chocan diminutas partículas entre sí a casi la velocidad de la luz para ver qué sucede. El detector ATLAS es como una cámara masiva de ultra alta velocidad que intenta capturar cada detalle de estas colisiones.

El artículo que estás leyendo es un informe de un equipo de científicos (la Colaboración ATLAS) que están buscando "fantasmas" en la máquina. Estos fantasmas son partículas teóricas llamadas partículas Supersimétricas (o "sparticles").

La Gran Idea: El Mundo de las Sombras

Según nuestro mejor mapa actual del universo (el Modelo Estándar), cada partícula conocida tiene un "gemelo de sombra" que aún no hemos encontrado.

• Si tienes un quark pesado (un bloque de construcción de la materia), su gemelo de sombra es un squark.
• Si tienes un gluón (el pegamento que mantiene unidos a los átomos), su gemelo de sombra es un gluino.

Los científicos creen que estos gemelos de sombra podrían resolver grandes misterios, como por qué el universo tiene "materia oscura" (esa sustancia invisible que mantiene unidas a las galaxias). La teoría sugiere que, si estos gemelos existen, el más ligero es estable y podría ser la materia oscura que estamos buscando.

La Cacería: Cuatro Búsquedas Diferentes

El artículo describe cuatro "cacerías" específicas en las que se embarcaron los científicos, utilizando datos de colisiones a dos niveles de energía diferentes (como conducir en la pista de carreras a 13 y 13.6 en el velocímetro). Buscaban combinaciones específicas de partículas que aparecerían si estos gemelos de sombra fueran creados y luego se desintegraran inmediatamente.

Aquí tienes un desglose sencillo de las cuatro búsquedas:

1. La Cacería del "Top Pesado" (Búsqueda 1)

• El Objetivo: Buscaron pares de "stop squarks" (el gemelo de sombra del quark top, la partícula más pesada conocida).
• El Escenario: Imagina dos cajas pesadas (stop squarks) chocando entre sí y rompiéndose. En su interior, esperan encontrar un par de quarks top y dos "fantasmas" invisibles (los candidatos a materia oscura).
• El Truco: Buscaron dos formas diferentes en las que las cajas podrían romperse:
  • La forma "Resuelta" (Resolved): Las piezas salen despedidas lo suficientemente lento como para verse claramente como chorros de energía separados.
  • La forma "Acelerada" (Boosted): Las piezas salen despedidas tan rápido que chocan entre sí formando una única y gigante masa de energía.
• El Resultado: No encontraron las cajas. Establecieron una regla: "Si estos stop squarks existen, deben ser más pesados que 1,230 GeV". (Esto es como decir: "Si el fantasma existe, debe ser más pesado que una ballena azul").

2. La Cacería del "Cambio de Encanto" (Búsqueda 2)

• El Objetivo: Buscaron stop squarks que podrían transformarse en "quarks charm" (un primo más ligero del quark top) en lugar de quarks top. Esto es un poco como buscar a un cambiaformas.
• El Escenario: Buscaron una firma específica: un jet pesado (de un quark top) y un jet charm, sin electrones o muones visibles, solo energía faltante.
• El Resultado: No se encontraron cambiaformas. Descartaron los stop squarks hasta los 800 GeV en la mayoría de los casos, y hasta los 600 GeV si las partículas tienen pesos muy cercanos (un escenario "comprimido").

3. La Cacería del "Doble Encanto" (Búsqueda 3)

• El Objetivo: Buscaron pares de stop squarks o charm squarks que ambos se transforman en quarks charm.
• El Escenario: Esto es como buscar a un par de gemelos que ambos se transforman en el mismo hermano menor. Buscaron dos jets charm y energía faltante.
• El Resultado: Siguen sin haber fantasmas. Empujaron el límite aún más lejos, diciendo que estas partículas deben ser más pesadas que aproximadamente 900 GeV si existen.

4. La Cacería de "Gluino y Squark" (Búsqueda 4)

• El Objetivo: Esta fue la red más grande, buscando gluinos (sombras de pegamento) y otros squarks que se desintegran en "leptones tau" (primos pesados de los electrones).
• La Estrategia: Utilizaron dos herramientas de detective diferentes:
  • Cut-and-Count (Cortar y Contar): Un método tradicional de establecer reglas estrictas (por ejemplo, "Solo contar eventos con energía superior a X").
  • Aprendizaje Automático (Machine Learning): Un cerebro de IA entrenado para detectar patrones sutiles que los humanos podrían pasar por alto, clasificando los eventos en "señal" o "ruido de fondo".
• El Resultado: La IA y el método tradicional estuvieron de acuerdo: no se encontraron gluinos ni squarks. Establecieron los límites más estrictos hasta la fecha, diciendo que los gluinos deben ser más pesados que 2.25 TeV (más de 2,000 veces la masa de un protón) y los squarks más pesados que 1.7 TeV.

La Conclusión

El artículo es esencialmente un cartel de "Se Busca" que dice: "Buscamos por todas partes, usamos nuestras mejores cámaras y nuestra IA más inteligente, pero no encontramos ninguna de estas partículas supersimétricas".

Debido a que no las encontraron, no descubrieron nueva física en esta ejecución específica. En su lugar, trazaron una línea en la arena. Le dijeron a los físicos teóricos: "Si estas partículas existen, son más pesadas de lo que pensábamos. Necesitan actualizar sus mapas para buscar fantasmas más pesados".

En resumen: la cacería continúa, pero los fantasmas "fáciles" (los ligeros) han sido descartados.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsquedas de la producción fuerte de partículas supersimétricas con el detector ATLAS

Problema y motivación
A pesar de la precisión del Modelo Estándar (ME), persisten problemas no resueltos como el problema de la jerarquía, la falta de unificación de las interacciones fundamentales y la ausencia de un candidato a materia oscura. La supersimetría (SUSY) ofrece un marco teórico que aborda estos problemas al postular un supercompañero para cada partícula del ME. En el Modelo Supersimétrico Mínimo Estándar (MSSM), la conservación de la paridad-R asegura la estabilidad de la Partícula Supersimétrica más Ligera (LSP), típicamente el neutralino más ligero ($\tilde{\chi}^0_1$), lo que lo convierte en un candidato viable a materia oscura.

Los argumentos de naturalidad sugieren que los compañeros supersimétricos de los gluones (gluinos, $\tilde{g}$) y de los quarks de tercera generación (squarks, específicamente el stop $\tilde{t}_1$) deberían ser lo suficientemente ligeros como para ser producidos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Aunque los escenarios clásicos del MSSM enfrentan límites de masa cada vez más estrictos, las variaciones que involucran contenido de partículas no mínimo y estructuras de sabor siguen siendo de gran interés. Este artículo presenta una compilación de búsquedas recientes realizadas por la Colaboración ATLAS dirigidas a la producción fuerte de estas partículas.

Metodología y conjuntos de datos
Los análisis utilizan datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector ATLAS a energías de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV (Run 2, 2015–2018, $\sim$139–140 fb$^{-1}$) y $\sqrt{s} = 13.6$ TeV (parte del Run 3, 2022–2023, 51.8 fb$^{-1}$). Las búsquedas se centran en estados finales caracterizados por jets, leptones (incluyendo leptones $\tau$ con decaimiento hadrónico) y una energía transversal faltante significativa ($E^{\text{miss}}_T$), lo que señala la presencia de LSPs estables.

Se detallan cuatro estrategias de búsqueda distintas:

1. Producción de pares de stops ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to t\bar{t}\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Modos de decaimiento: Cubre tanto decaimientos de dos cuerpos (gran división de masa, $\Delta m > m_t$) como de tres cuerpos (división de masa intermedia, $m_W < \Delta m < m_t$).
   • Estado final: Un leptón aislado, jets y $E^{\text{miss}}_T$.
   • Estrategia: Los eventos se categorizan en regiones "resueltas" (tops de bajo $p_T$, $E^{\text{miss}}_T > 230$ GeV) y "boosted" (tops de alto $p_T$, jets de gran radio-R). Las regiones de señal (SRs) se definen por la multiplicidad de b-jets y el etiquetado de tops (top-tagging). Se emplea una red neuronal (NN) para mejorar la discriminación entre señal y fondo. Los fondos ($t\bar{t}$, top único, $W$+jets) se estiman utilizando regiones de control (CRs) y variables cinemáticas como la masa transversal ($m_T$) y la carga del leptón.

2. Producción de pares de stops con violación de sabor ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to tc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Modelo: Investiga la violación de sabor no mínima (MFV) donde el $\tilde{t}_1$ decae por igual a $t\tilde{\chi}^0_1$ o $c\tilde{\chi}^0_1$.
   • Estado final: Un jet con etiqueta b, un jet con etiqueta c, sin leptones y gran $E^{\text{miss}}_T$.
   • Estrategia: Utiliza un algoritmo especializado de etiquetado de c (basado en DL1r) para identificar jets de charm. El espacio de fase se divide en regiones de "bulk", "intermedia" (boosted/resolved) y "comprimida". En los escenarios comprimidos, se utilizan jets de radiación de estado inicial (ISR) y el entrenamiento de la NN para mejorar la sensibilidad.

3. Producción de pares de stop y charm-squark ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1, \tilde{c}_1\tilde{c}_1 \to cc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Modelo: Apunta a la violación de sabor mínima donde los charm-squarks ($\tilde{c}_1$) pueden ser más ligeros que otros squarks.
   • Estado final: Dos jets con etiqueta c, sin leptones y $E^{\text{miss}}_T$.
   • Estrategia: Investiga regiones de alta masa ($m \gtrsim 600$ GeV) y regiones comprimidas ($\Delta m < 175$ GeV). La región comprimida depende de jets ISR de alto momento y de la reconstrucción de rompecabezas recursivo (RJR), mientras que se requiere que el jet líder no tenga etiqueta c para suprimir el fondo.

4. Producción de pares de gluino y squark ($\tilde{g}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{q}$):

   • Modos de decaimiento: Involucra decaimientos a $\tau$-sleptons ($\tilde{\tau}$) y $\tau$-sneutrinos ($\tilde{\nu}_\tau$).
   • Estados finales: Tres canales basados en el contenido de $\tau$ y leptones: 1$\tau$0lep, 1$\tau$1lep y 2$\tau$.
   • Estrategia: Se comparan dos enfoques: un método tradicional de "cut-and-count" utilizando variables de $E^{\text{miss}}_T$, y un enfoque de aprendizaje automático utilizando Árboles de Decisión Potenciados (BDTs) para la clasificación multiclasificación contra fondos ($W/Z$+jets, dibosón, top, $\tau$-falso).

Resultados clave
No se observó ningún exceso significativo de eventos sobre el fondo esperado del ME en ninguno de los canales analizados. En consecuencia, se establecieron límites de exclusión al 95% de nivel de confianza (CL):

• Pares de stops ($t\bar{t} + E^{\text{miss}}_T$): El análisis de un solo leptón mejora la sensibilidad en regiones de pequeña división de masa. Combinado con los resultados de cero leptones, se excluyen masas de top-squark hasta 1230 GeV (para $\tilde{\chi}^0_1$ sin masa) y masas de neutralino hasta 570 GeV.
• Pares de stops con violación de sabor ($tc + E^{\text{miss}}_T$): Se excluyen masas de top-squark hasta 800 GeV (neutralino sin masa) y 600 GeV en el escenario comprimido. Este resultado también se reinterpreta para excluir nuevos mediadores que acoplan la materia oscura con los quarks del ME hasta 1.2 TeV.
• Pares de stop/charm-squark ($cc + E^{\text{miss}}_T$): Masas de top/charm-squark se excluyen hasta aproximadamente 900 GeV (neutralino sin masa), lo que representa una mejora de aproximadamente 100 GeV respecto a los límites previos de ATLAS.
• Pares de gluino y squark:
  • Masas de gluino se excluyen hasta 2.25 TeV (con neutralinos hasta 1.35 TeV para $m_{\tilde{g}} \approx 2$ TeV).
  • Masas de squark se excluyen hasta 1.7 TeV (con neutralinos hasta 0.85 TeV).
  • El enfoque de aprendizaje automático demuestra una sensibilidad superior para masas de gluino/squark más altas y masas de neutralino más grandes, mientras que el método de "cut-and-count" funciona mejor en la región del espacio de fase comprimido debido a mayores rendimientos de eventos y selecciones dedicadas.

Significancia y afirmaciones
El artículo afirma presentar los resultados más recientes del experimento ATLAS, extendiendo la búsqueda de partículas supersimétricas producidas fuertemente hacia nuevos modos de decaimiento y regímenes cinemáticos. La significancia radica en:

1. Ampliación del alcance de la búsqueda: Ir más allá de los escenarios clásicos del MSSM para incluir la violación de sabor no mínima y espectros comprimidos.
2. Avance tecnológico: La implementación y optimización exitosas de algoritmos de etiquetado de c y la aplicación de aprendizaje automático (NNs y BDTs) para mejorar la discriminación entre señal y fondo en estados finales complejos.
3. Restricciones actualizadas: Proporcionar los límites de exclusión más estrictos hasta la fecha para escenarios específicos de SUSY, particularmente en las regiones de masa comprimida y para decaimientos con violación de sabor, estrechando así el espacio de parámetros para modelos supersimétricos viables.

Los autores concluyen que, aunque no se encontró evidencia de SUSY, estos resultados refinan significativamente los límites experimentales para la producción fuerte de gluinos, stops y charm-squarks en el LHC.