Search for long-lived charginos and $τ$-sleptons using final states with a disappearing track in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Este estudio presenta una búsqueda de charginos y sleptones $\tau$ de vida larga utilizando datos de colisiones protón-protón a 13 TeV del detector ATLAS, donde no se observaron excesos significativos y se establecieron límites de masa de hasta 880 GeV para charginos y 320 GeV para sleptones $\tau$ en diversos escenarios de supersimetría.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es como una carrera de coches de Fórmula 1 a velocidades increíbles. Los científicos lanzan protones (partículas diminutas) a velocidades cercanas a la de la luz para que choquen entre sí. El objetivo de este choque es romper las partículas en pedazos y ver qué "nuevos juguetes" aparecen en el escombro.

Este documento es un informe de la colaboración ATLAS, uno de los gigantes que observan estos choques. Han estado buscando algo muy específico y misterioso: partículas que "desaparecen".

Aquí te explico qué hicieron y qué encontraron, usando analogías sencillas:

1. ¿Qué estaban buscando? (Los "Fantasmas" y los "Caminantes Lentos")

En el mundo de la física, existe una teoría llamada Supersimetría (SUSY). Imagina que por cada partícula que conocemos (como un electrón o un quark), existe un "gemelo" más pesado y pesado.

• El problema: Normalmente, estos gemelos se desintegran (se rompen) casi instantáneamente, en una fracción de segundo.
• La búsqueda: Los científicos pensaron: "¿Y si algunos de estos gemelos son un poco más lentos?". Específicamente, buscaron dos tipos de partículas hipotéticas:
  1. Charginos: Partículas cargadas eléctricamente que son "primos" de los electrones y protones.
  2. Tau-sleptones: Gemelos del tau (un tipo de partícula pesada).

La idea es que estas partículas nacen en el choque, viajan un poco por el detector, y luego se desintegran en algo que no podemos ver (como materia oscura).

2. La pista: La "Huella Fantasma" (Disappearing Track)

Aquí viene la parte más genial. Imagina que entras a una habitación llena de cámaras de seguridad (el detector ATLAS).

• Si caminas rápido y sales, las cámaras te ven todo el trayecto.
• Pero, imagina que entras, das tres o cuatro pasos y de repente te conviertes en humo y desapareces.

En el detector, las partículas normales dejan una línea de puntos (huellas) que el ordenador puede seguir hasta el final. Pero estas partículas misteriosas (los charginos o tau-sleptones) dejan una huella muy corta (solo 3 o 4 puntos) y luego... ¡puf! Se desintegran.

• El rastro: Solo ves el inicio del camino, pero no el final.
• El misterio: Además, en el choque hay un "viento" fuerte (un chorro de partículas o jet) que empuja a estas partículas, y falta energía en el balance final (momento transversal faltante), lo que indica que algo invisible se escapó.

3. El truco de los detectives (La nueva tecnología)

En búsquedas anteriores, los científicos solo miraban las huellas que tenían 4 puntos de largo. Pero si la partícula es muy inestable (vive muy poco tiempo), a veces solo deja 3 puntos antes de desaparecer.

• La innovación: Esta vez, los científicos de ATLAS crearon un nuevo algoritmo (un programa de computadora muy inteligente) que es capaz de encontrar esas huellas de solo 3 puntos. Es como si antes solo mirabas las huellas de zapatos completas, y ahora aprendiste a identificar huellas parciales que antes ignorabas.
• El "pistola de partículas": También buscaron un pequeño "rastro" de un pion (una partícula muy ligera) que sale cuando el chargino explota. Es como buscar una pequeña chispa que salta justo cuando el fantasma desaparece. Usaron inteligencia artificial para encontrar estas chispas diminutas.

4. El resultado: ¿Encontraron a los fantasmas?

Después de analizar 137 billones de colisiones (¡es una cantidad inmensa de datos!), los científicos compararon lo que vieron con lo que la física actual (el Modelo Estándar) predice que debería pasar.

• La noticia: No encontraron nada.
• La explicación: Todo lo que vieron (las huellas cortas que aparecieron) se podía explicar por "ruido" o errores de la máquina (como si una cámara de seguridad se confundiera y pensara que vio a alguien cuando solo fue un reflejo). No hubo un exceso de eventos que indicara la existencia de estas nuevas partículas.

5. ¿Qué significa esto? (El "No" que nos dice mucho)

Aunque no encontraron las partículas, el trabajo no fue en vano. Es como si un detective buscara un criminal en una ciudad y no lo encontrara.

• El límite: Ahora sabemos que si esas partículas existen, no pueden ser tan ligeras como pensábamos.
• La conclusión: Han establecido un "límite de seguridad". Por ejemplo, si existen los "charginos", deben pesar al menos 225 GeV (o hasta 880 GeV dependiendo de su vida) para no haber sido vistos.
• El futuro: Han descartado una gran zona de posibilidades. Ahora, los físicos teóricos deben ajustar sus teorías: "Bueno, si no están ahí abajo, tendrán que estar más arriba (más pesadas)".

En resumen

Los científicos del ATLAN hicieron un rastreo exhaustivo en el detector más grande del mundo, buscando partículas que dejan una huella corta y misteriosa antes de desaparecer. Usaron nuevas técnicas de inteligencia artificial para ver huellas más pequeñas que nunca. Aunque no encontraron a los "fantasmas", han logrado acotar dónde podrían estar escondidos, obligando a la ciencia a mirar más lejos y con más precisión en el futuro.

Es un poco como buscar una aguja en un pajar: no la encontraron, pero ahora sabemos con certeza que no está en la parte inferior del pajar, así que tendremos que seguir buscando en las capas superiores.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsqueda de charginos y $\tilde{\tau}$-esleptones de vida larga con trazas desaparecidas en colisiones $pp$ a $\sqrt{s}=13$ TeV

1. Problema y Contexto Científico

La Supersimetría (SUSY) es un marco teórico que postula la existencia de un compañero para cada partícula del Modelo Estándar (SM), resolviendo problemas como la jerarquía de masas y ofreciendo candidatos para la materia oscura (DM). Este artículo se centra en escenarios específicos donde las partículas supersimétricas cargadas (charginos $\tilde{\chi}^{\pm}_1$ o esleptones $\tilde{\tau}$) tienen una vida media lo suficientemente larga para atravesar varias capas del detector interno del ATLAS antes de decaer, pero lo suficientemente corta como para no llegar al espectrómetro de muones.

• Fenómeno de "Traza Desaparecida" (Disappearing Track): Cuando un chargino o un esleptón cargado decae en una partícula neutra estable (como el neutralino $\tilde{\chi}^0_1$ o el gravitino $\tilde{G}$) y una partícula cargada de muy bajo momento (pion $\pi^{\pm}$ o tau $\tau$), la partícula cargada deja una traza corta en los detectores de silicio (píxeles) que "desaparece" antes de llegar a las capas externas (SCT/TRT).
• Escenarios Modelados:
  • Electroweakinos (Wino/Higgsino): En modelos de ruptura de supersimetría mediada por anomalías (AMSB) o modelos "naturales", la diferencia de masa entre el chargino y el neutralino es muy pequeña ($\sim 100-300$ MeV). Esto genera vidas medias cortas ($\tau \sim 0.02 - 1$ ns) y un pion de muy bajo momento ($p_T \sim 250-350$ MeV) que a menudo no se reconstruye con algoritmos estándar.
  • Esleptones ($\tilde{\tau}$): En modelos CMSSM y GMSB, se consideran esleptones de vida larga que decaen en un tau y el LSP.
• Desafío Experimental: La detección es difícil debido a la corta longitud de la traza (requiere al menos 3 capas de píxeles) y la presencia de fondos significativos de trazas falsas o partículas mal reconstruidas.

2. Metodología y Análisis

Datos y Simulación

• Datos: Se utilizaron $137 \text{ fb}^{-1}$de datos de colisiones protón-protón a$\sqrt{s}=13$ TeV recopilados durante el Run 2 del LHC (2015-2018).
• Simulación: Se emplearon muestras de Monte Carlo (MC) generadas con MadGraph5_aMC@NLO y Pythia para modelar señales SUSY y fondos del Modelo Estándar. Se utilizaron simulaciones de "pistola de partículas" para estimar eficiencias de reconstrucción.

Reconstrucción de Eventos y Algoritmos Clave

El análisis introduce mejoras significativas respecto a búsquedas anteriores:

1. Reconstrucción de "Tracklets" (Trazas Cortas): Se implementó un algoritmo dedicado para reconstruir trazas con solo 3 capas de píxeles (además de las de 4 capas). Esto es crucial para detectar charginos con vidas medias muy cortas ($\tau < 0.03$ ns) que no alcanzan la cuarta capa.
2. Identificación de Piones de Baja Energía: Se desarrolló un algoritmo basado en un Árbol de Decisión Boosted (BDT) para identificar piones cargados de bajo momento ($p_T > 200$ MeV) que surgen del decaimiento del chargino. Este algoritmo utiliza variables cinemáticas y de calidad de la traza para distinguir piones reales de fondos accidentales.
3. Criterios de Selección:
   • Se requieren eventos con cero leptones, al menos un jet de alta energía (radiación de estado inicial, ISR) para activar el disparador, y gran momento transversal faltante ($E_T^{\text{miss}}$).
   • La traza desaparecida debe tener $p_T > 60$ GeV y no estar asociada a depósitos de energía en el calorímetro (veto de calorímetro).

Estrategia de Búsqueda

Se definieron cuatro Regiones de Señal (SR) ortogonales:

• SR4High / SR4Mid: Requieren trazas de 4 capas de píxeles. Diferenciadas por el umbral de $E_T^{\text{miss}}$.
• SR3High1$\pi$: Requiere trazas de 3 capas y la presencia de un pion de baja energía identificado por el BDT.
• SR3High0$\pi$: Requiere trazas de 3 capas y veto de pion de baja energía.

Estimación de Fondos (Métodos Basados en Datos)

Dado que los fondos dominantes son trazas falsas (coincidencias de hits) o partículas mal reconstruidas (electrones, muones, hadrones), se utilizaron métodos puramente basados en datos:

• Regiones de Plantilla (TR): Se seleccionan eventos con fondos conocidos para extraer la distribución de $p_T$ de las trazas.
• Factores de Transferencia (TF): Se calculan utilizando regiones de control (CR) y simulación (para hadrones) para corregir las eficiencias de reconstrucción y las probabilidades de identificación errónea al extrapolar de las regiones de control a las regiones de señal.
• Validación: Se definieron Regiones de Validación (VR) para verificar la precisión del modelo de fondo antes de la extrapolación final.

3. Contribuciones Clave

1. Extensión del Alcance de Vida Media: La capacidad de reconstruir trazas con solo 3 hits de píxeles permite explorar vidas medias de charginos tan bajas como $0.01$ ns, una región inaccesible para análisis anteriores que requerían 4 o más capas.
2. Identificación de Piones Suaves: La implementación del BDT para piones de baja energía mejora drásticamente la sensibilidad en escenarios de wino y higgsino, donde el pion es una firma característica pero difícil de detectar.
3. Mejora en la Rejección de Fondos: El nuevo criterio de "veto de calorímetro" (la traza no debe tener energía asociada en el calorímetro) elimina gran parte del fondo dominante, mejorando la relación señal-ruido.
4. Análisis Integrado: Combinación de múltiples regiones de señal y un ajuste de verosimilitud perfilada para obtener límites de exclusión robustos.

4. Resultados

• Observación de Datos: No se encontraron excesos significativos en ninguna de las regiones de señal. Los datos observados son consistentes con las predicciones del Modelo Estándar dentro de las incertidumbres sistemáticas y estadísticas.
  • Se observaron pequeñas fluctuaciones locales (significancias de $1.9\sigma$en SR4High y$1.0\sigma$en SR3High1$\pi$), pero no son suficientes para reclamar un descubrimiento.
• Límites de Exclusión (95% CL): Se establecieron límites inferiores en la masa de las partículas supersimétricas en función de su vida media ($\tau$):
  • Charginos Higgsino: Se excluyen masas hasta 225 GeV (esperado: 250 GeV) para vidas medias $\tau < 0.03$ ns. Para $\tau \approx 1$ ns, el límite llega a 720 GeV (esperado: 840 GeV).
  • Charginos Wino: Se excluyen masas hasta 880 GeV (esperado: 1020 GeV) para $\tau \approx 1$ ns.
  • Esleptones ($\tilde{\tau}$): En escenarios CMSSM y GMSB con $\tau \approx 1$ ns, se excluyen masas hasta 320 GeV (CMSSM) y 300 GeV (GMSB) (esperado: 390 GeV y 380 GeV respectivamente).

5. Significancia e Impacto

Este trabajo representa un avance sustancial en la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar en el régimen de partículas de vida media corta:

• Límites más Estrictos: Se han establecido los límites de exclusión más fuertes hasta la fecha para charginos higgsino en el régimen de vida muy corta ($\tau < 0.03$ ns), mejorando los resultados anteriores en aproximadamente 15 GeV en masa.
• Sensibilidad Mejorada: La mejora en la sensibilidad de masa es de aproximadamente 100 GeV en comparación con el análisis anterior de ATLAS (que usaba 4 capas de píxeles), gracias a la inclusión de las trazas de 3 capas y la identificación de piones suaves.
• Implicaciones Teóricas: Los resultados restringen fuertemente los modelos de supersimetría "natural" y los modelos de materia oscura que predicen partículas electrodébiles casi degeneradas en masa. La exclusión de masas de wino hasta 880 GeV y higgsino hasta 225 GeV en ciertos regímenes de vida media reduce el espacio de parámetros disponible para estas teorías, guiando los esfuerzos futuros hacia regiones de masa más altas o vidas medias aún más cortas/largas.

En conclusión, el análisis demuestra la capacidad del detector ATLAS y de las técnicas de reconstrucción avanzadas para explorar firmas de "trazas desaparecidas" con una precisión sin precedentes, cerrando ventanas importantes en la búsqueda de supersimetría en el LHC.