Reinterpretation of searches for supersymmetry in models with variable R-parity-violating coupling strength using the full ATLAS Run 2 Dataset

El experimento ATLAS reinterpreta trece búsquedas de supersimetría utilizando todo el conjunto de datos de la corrida 2 (140 fb⁻¹ a 13 TeV) para establecer límites de exclusión en modelos con acoplamientos de violación de paridad-R variables, logrando una sensibilidad mejorada a partículas de vida media larga y estableciendo límites de masa para gluinos, escalares top, sleptones tau y higgsinos que dependen de la fuerza del acoplamiento.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el universo es como un inmenso rompecabezas gigante. Durante décadas, los físicos han estado tratando de encontrar las piezas que faltan para entender cómo funciona todo. Una de las teorías más populares para encontrar esas piezas es la Supersimetría (o SUSY).

Esta teoría sugiere que por cada partícula que conocemos (como un electrón o un quark), existe un "gemelo" más pesado y misterioso que aún no hemos visto. El problema es que, hasta ahora, nadie ha encontrado a estos gemelos.

Aquí es donde entra este nuevo trabajo del experimento ATLAS en el CERN (el laboratorio de física de partículas más grande del mundo). Vamos a explicarlo con una analogía sencilla:

1. El Detective y el Sospechoso (La Partícula)

Imagina que los físicos son detectives buscando a un sospechoso (la partícula supersimétrica).

• El escenario anterior: Antes, los detectives asumían que el sospechoso era muy "leal". Si lo atrapaban, se quedaba quieto y no se escapaba, pero era invisible (como un fantasma). Esto se llama conservación de la paridad R.
• El nuevo escenario: En este nuevo estudio, los detectives se dieron cuenta de que quizás el sospechoso no es tan leal. Quizás tiene un "botón de pánico" (llamado acoplamiento RPV). Si presiona ese botón, puede:
  • Desaparecer instantáneamente (decadencia rápida).
  • Correr un poco antes de desaparecer (vida media larga).
  • Quedarse escondido (estable).

El problema es que los detectives anteriores solo buscaban al sospechoso si se quedaba quieto o si desaparecía al instante. ¡Se les estaba escapando el caso intermedio!

2. La Gran Revisión (El Estudio)

Este documento es como una revisión masiva de todas las pruebas que ATLAS ha hecho entre 2015 y 2018. En lugar de tirar las pruebas a la basura, los científicos las tomaron y las volvieron a analizar con una lupa nueva.

• La analogía de la cámara: Imagina que tienes 13 cámaras de seguridad diferentes instaladas en un edificio. Algunas están diseñadas para ver a alguien que entra corriendo, otras para ver a alguien que se queda quieto.
• El truco: Los científicos tomaron esas mismas cámaras y las reconfiguraron para ver si podían detectar a alguien que camina lentamente por el pasillo (partículas de vida media larga) o que se desvanece en el aire de forma extraña.

3. ¿Qué encontraron? (Los Resultados)

Al revisar todo el "video" de las colisiones de protones (que es como chocar dos relojes de arena a toda velocidad para ver qué sale volando), encontraron lo siguiente:

• No hay culpables... todavía: No encontraron a los "gemelos supersimétricos". Nadie apareció en las cámaras.
• Pero sí pusieron límites: Al no encontrarlos, pueden decir: "Si existen, no pueden ser más ligeros que X".
  • Por ejemplo, si el "gemelo" del gluón (una partícula pesada) existiera, tendría que pesar al menos 1.800 veces más que un protón (1.8 TeV), sin importar qué tan rápido o lento se mueva antes de desaparecer.
  • Para otras partículas, como los "top squarks" (gemelos del quark top), han descartado que existan hasta 2.400 veces la masa de un protón.

4. ¿Por qué es importante esto?

Imagina que estás buscando un tesoro enterrado. Antes, solo mirabas en la playa (donde la arena es fina). Este estudio es como decir: "¡Espera! Quizás el tesoro está enterrado en la duna, o en la roca, o bajo el agua".

• Cerrando los huecos: Antes, había un "hueco" en la búsqueda: las partículas que vivían un poco de tiempo antes de morir (ni instantáneas ni eternas). Este estudio ha llenado ese hueco.
• Más inteligente: Han demostrado que sus búsquedas son mucho más flexibles de lo que pensaban. No necesitan construir cámaras nuevas para cada tipo de sospechoso; pueden adaptar las que ya tienen.

En resumen

Este paper es como un informe de la policía que dice: "Hemos revisado todas nuestras grabaciones de los últimos años, no solo buscando al ladrón que huye al instante, sino también al que camina despacio. No lo hemos encontrado, pero ahora sabemos exactamente dónde no está escondido. Si el universo tiene estos 'gemelos' supersimétricos, tienen que ser mucho más pesados y esquivos de lo que imaginábamos, y tienen que comportarse de maneras muy específicas."

Es un paso gigante hacia la comprensión del universo, porque saber dónde no buscar es tan importante como saber dónde buscar. ¡Y eso nos acerca un poco más a resolver el misterio final de la materia!

Resumen técnico

1. Problema y Contexto

La Supersimetría (SUSY) es una extensión teórica del Modelo Estándar que introduce partículas compañeras para cada partícula conocida. En muchos escenarios, se asume la conservación de la paridad-R (RPC), lo que implica que la partícula supersimétrica más ligera (LSP) es estable y escapa del detector, produciendo energía transversal faltante ($E_T^{miss}$).

Sin embargo, si la paridad-R se viola (RPV), el LSP se vuelve inestable y puede decaer en partículas del Modelo Estándar. La vida media del LSP ($\tau_{LSP}$) depende críticamente de la fuerza del acoplamiento RPV ($\lambda, \lambda', \lambda''$):

• Acoplamientos grandes: El LSP decae instantáneamente (promptly), produciendo firmas similares a las decaimientos directos de partículas pesadas.
• Acoplamientos pequeños: El LSP es de vida larga (LLP), decayendo dentro del detector a distancias medibles o incluso fuera de él.
• Acoplamientos muy pequeños: El LSP es efectivamente estable, comportándose como en los escenarios RPC.

El problema: La mayoría de las búsquedas de SUSY se han optimizado para los extremos (RPC o RPV con decaimientos prompt), dejando un "vacío" en el régimen intermedio donde el LSP es de vida larga. Este trabajo busca llenar ese vacío reinterpretando búsquedas existentes para cubrir todo el espectro de acoplamientos RPV.

2. Metodología

El estudio utiliza el conjunto de datos completo de la Run 2 del LHC (2015-2018), correspondiente a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$ a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Modelos de Señal

Se consideraron seis modelos simplificados de SUSY con RPV, cubriendo modos de producción fuerte (gluinos, squarks) y electrodébiles (higgsinos, sleptones):

1. Gqq+LQD: Gluinos que decaen a quarks de 1ª/2ª generación vía acoplamiento $\lambda'$.
2. Gqq+UDD: Gluinos que decaen a quarks vía acoplamiento $\lambda''$.
3. Gtt: Gluinos que decaen a quarks top vía acoplamiento $\lambda''$.
4. Stop: Producción de pares de stop (squark top) con decaimientos mediados por $\lambda''$.
5. Stau: Producción de pares de estau (slepton tau) y sneutrinos vía acoplamientos $\lambda$.
6. Higgsino: Producción de higgsinos casi degenerados en masa, con decaimientos mediados por $\lambda$.

Reinterpretación y Simulación

• Se utilizaron 13 búsquedas publicadas por ATLAS, diseñadas originalmente para RPC o RPV prompt.
• Se empleó el marco RECAST y el código original de análisis para reevaluar las señales.
• Simulación Completa: Se utilizó la simulación completa del detector ATLAS basada en Geant4. Esto es crucial para LLPs, ya que las eficiencias de reconstrucción y las topologías de eventos no pueden modelarse con precisión mediante aproximaciones de nivel superior.
• Incertidumbres Sistemáticas: Se desarrollaron incertidumbres sistemáticas específicas para objetos desplazados (jets, leptones, tau-hadrónicos) para corregir la eficiencia de reconstrucción cuando los objetos no provienen del vértice de interacción primario. Esto incluye correcciones en la escala de energía de jets (JES), identificación de jets-b ($b$-tagging) y eficiencia de tau.

3. Contribuciones Clave

• Cobertura Unificada: Por primera vez, se proporciona un límite de masa coherente a través de todo el rango de acoplamientos RPV, desde el límite RPC hasta el régimen de decaimientos prompt, pasando por el régimen de partículas de vida larga.
• Validación de Eficiencias: Se cuantificó cómo la eficiencia de reconstrucción de objetos (jets, leptones, tau) y la energía transversal faltante ($E_T^{miss}$) varían en función de la vida media del LSP, demostrando que las búsquedas RPC pierden sensibilidad rápidamente cuando el LSP decae dentro del detector (reduciendo $E_T^{miss}$), mientras que las búsquedas de LLP ganan sensibilidad.
• Nuevos Límites en Regímenes Intermedios: Se establecieron límites de exclusión en regiones del espacio de parámetros que anteriormente no estaban restringidas, específicamente para acoplamientos que producen decaimientos con desplazamiento de vértice (displaced vertices).

4. Resultados Principales

Los límites se establecen al 95% de nivel de confianza (CL) en función de la masa de la partícula producida y la fuerza del acoplamiento (o vida media equivalente).

• Modelo Gqq+LQD (Acoplamiento $\lambda'$):

  • Se excluyen masas de gluino hasta 2.2 TeV para una vida media de $\sim 100$ ns.
  • En el régimen RPC (vida media larga), el límite es de ~1.6 TeV.
  • En el régimen de acoplamiento alto (decaimiento prompt), el límite alcanza 2.2 TeV.

• Modelo Gqq+UDD (Acoplamiento $\lambda''$):

  • Se excluyen gluinos hasta 2.6 TeV para una vida media de 0.01 ns (región donde la búsqueda de vértices desplazados + jets es óptima).
  • Para acoplamientos altos (decaimiento prompt a jets), se excluyen hasta 2.3 TeV.

• Modelo Gtt (Acoplamiento $\lambda''$ con quarks top):

  • Se establece un límite robusto de 1.8 TeV en la masa del gluino a lo largo de todo el rango de acoplamientos, independientemente de la vida media.

• Modelo Stop (Acoplamiento $\lambda''$):

  • Se excluyen masas de stop hasta 2.4 TeV para valores altos de $\lambda''$.
  • Para valores bajos e intermedios de $\lambda''$, los límites oscilan entre 1.0 y 1.7 TeV, dependiendo de la vida media.

• Modelo Stau (Acoplamiento $\lambda$):

  • Se excluyen masas de estau entre 180 GeV y 340 GeV para acoplamientos $\lambda < 10^{-4}$.
  • La sensibilidad disminuye drásticamente en el régimen intermedio ($10^{-3} \le \lambda \le 10^{-1}$) debido a la pérdida de $E_T^{miss}$ y la dificultad de reconstrucción de leptones desplazados.

• Modelo Higgsino (Acoplamiento $\lambda$):

  • Se excluyen masas de higgsino hasta 800 GeV - 1.0 TeV para acoplamientos grandes ($\lambda > 4 \times 10^{-5}$), donde los decaimientos son prompt.
  • No se establecen límites para acoplamientos muy pequeños ($< 3 \times 10^{-6}$) debido a la falta de sensibilidad de las búsquedas actuales en ese régimen específico para higgsinos.

5. Significancia

Este trabajo es fundamental para la física de SUSY por varias razones:

1. Ampliación del Alcance: Demuestra que las búsquedas diseñadas para modelos específicos (RPC o prompt) retienen sensibilidad significativa para una amplia gama de escenarios RPV, incluyendo aquellos con partículas de vida larga.
2. Cierre de Brechas: Elimina la incertidumbre sobre el estado de la exclusión de SUSY en el régimen de acoplamientos intermedios, que antes era un "punto ciego" en las búsquedas del LHC.
3. Metodología Robusta: Establece un estándar para la reinterpretación de búsquedas de SUSY utilizando simulación completa del detector y evaluaciones sistemáticas específicas para LLPs, lo cual es esencial para futuros análisis en el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC).
4. Implicaciones Teóricas: Los resultados restringen fuertemente modelos de SUSY natural que predicen LSPs de vida larga o acoplamientos RPV variables, guiando el desarrollo de teorías más allá del Modelo Estándar.

En resumen, este estudio proporciona el mapa de exclusión más completo hasta la fecha para la supersimetría con violación de paridad-R, utilizando la totalidad de los datos de Run 2 de ATLAS y una metodología rigurosa que abarca desde partículas estables hasta decaimientos prompt.