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

El experimento ATLAS analizó 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV y 56 fb$^{-1}$ a 13.6 TeV para buscar charginos y neutralinos que decaen mediante acoplamientos que violan la paridad-R de $B-L$ en bosones de Higgs y leptones, no encontrando evidencia de nueva física y estableciendo límites de exclusión al 95% de nivel de confianza sobre las masas de charginos y neutralinos de hasta 1100 GeV.

Lo esencial

Imagine el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como el "triturador de partículas" más potente del mundo. Estalla protones diminutos juntos a casi la velocidad de la luz, creando una explosión caótica de energía. Por lo general, esta energía se transforma en partículas que conocemos y comprendemos, como electrones y quarks. Pero los físicos sospechan que, ocultos dentro de este caos, hay "supercompañeros"—gemelos fantasmales y más pesados de las partículas que conocemos, predichos por una teoría llamada Supersimetría (SUSY).

Este artículo es un informe del experimento ATLAS, un detector gigante en el LHC que actúa como una cámara de alta velocidad de 360 grados que intenta captar un vistazo a estos gemelos fantasmales. Específicamente, el equipo buscaba dos tipos de supercompañeros: charginos y neutralinos.

El Misterio: La Regla de la "Paridad-R"

En muchas versiones de esta teoría, existe una regla llamada paridad-R. Piensa en la paridad-R como un portero estricto en un club.

• Las partículas normales (como los electrones) tienen un "valor-R" de +1.
• Los supercompañeros tienen un "valor-R" de -1.
• La Regla: Si la paridad-R se conserva, los supercompañeros deben crearse en pares y nunca pueden decaer solo en partículas normales. El supercompañero más ligero sería estable e invisible, escapando del detector como un fantasma.

Sin embargo, este artículo explora un escenario diferente: violación de la paridad-R (RPV). Imagina que el portero se cansa y deja que los supercompañeros se deslicen y decaigan directamente en partículas normales. En este modelo específico, se predice que los charginos y neutralinos decaen en un bosón de Higgs (una partícula famosa que da masa a otras) y un leptón (un electrón, muón o tau).

La Caza: Encontrando la "Firma del Higgs"

El equipo de ATLAS preparó una trampa muy específica para captar estos decaimientos. Sabían que si un chargino o neutralino decaía en un bosón de Higgs, ese bosón de Higgs se dividiría casi inmediatamente en dos quarks bottom (que se manifiestan como "chorros" de partículas en el detector).

Así, la estrategia de búsqueda fue como buscar un patrón específico en una habitación desordenada:

1. Los Leptones: Buscaron eventos con uno o dos electrones o muones de alta energía (los "leptones" del decaimiento).
2. Los Gemelos del Higgs: Buscaron al menos tres "chorros" etiquetados como provenientes de quarks bottom. Dado que la señal implica el decaimiento de dos supercompañeros, esperaban ver dos bosones de Higgs, lo que significa cuatro chorros de quarks bottom.
3. La Pieza Faltante: En algunos escenarios, también se produce un neutrino (una partícula invisible), que se lleva algo de energía. El detector mide esto como "momento transversal faltante".

Los Datos: Una Biblioteca Masiva de Colisiones

El equipo analizó una biblioteca masiva de datos:

• Periodo: Colisiones desde 2015 hasta 2023.
• Energía: Dos niveles de energía diferentes (13 TeV y 13.6 TeV).
• Volumen: Examinaron 196 "femtobarns inversos" de datos. Para visualizar esto, imagina tomar una instantánea de cada colisión individual que ocurrió durante esos años. Es un conjunto de datos tan grande que llevaría años a un superordenador procesarlo sin las herramientas especializadas que construyó ATLAS.

Los Resultados: Los Fantasmas Siguen Ocultos

Después de tamizar millones de eventos, el equipo no encontró ninguna evidencia de estos charginos o neutralinos.

• La Comparación: Compararon lo que vieron en los datos con lo que predice el Modelo Estándar (nuestra mejor teoría actual de la física). Los datos coincidieron perfectamente con las predicciones del Modelo Estándar. Es como buscar un tipo específico de alienígena en un bosque y encontrar solo ciervos, árboles y pájaros, exactamente lo que esperarías ver.
• La Exclusión: Como no encontraron las partículas, pudieron establecer una "valla" alrededor de dónde estas partículas no pueden estar. Concluyeron que si estos charginos y neutralinos existen y decaen de esta manera, deben ser más pesados que 1,100 GeV (aproximadamente 1,100 veces la masa de un protón). Si fueran más ligeros que eso, el detector ATLAS los habría visto para ahora.

La Conclusión

El artículo concluye que para el escenario específico donde estos supercompañeros decaen en bosones de Higgs y leptones, las versiones "ligeras" (entre 150 y 1,100 GeV) no existen.

En términos simples: El equipo de ATLAS buscó muy arduamente un tipo específico de partícula pesada y fantasmal que rompe las reglas habituales de la física. No encontraron nada más que el ruido de fondo esperado. Aunque esto no prueba que estas partículas no existan en absoluto, nos dice que o bien son mucho más pesadas de lo que pensábamos, o bien no decaen de la manera que predijo esta teoría específica. La búsqueda de la "nueva física" continúa, pero esta puerta en particular permanece cerrada por ahora.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsqueda de Charginos y Neutralinos con Desintegraciones que Violan la Paridad $R$ en $B-L$ en Colisiones $pp$a$\sqrt{s}=13$ TeV y 13.6 TeV con el Detector ATLAS

Problema y Motivación
La Supersimetría (SUSY) ofrece una solución al problema de la jerarquía dentro del Modelo Estándar (ME), pero el espacio de parámetros completo permite la violación del número bariónico ($B$) y leptónico ($L$). Aunque a menudo se impone la conservación de la paridad $R$ para evitar la desintegración rápida del protón, existen teorías viables fenomenológicamente que violan la paridad $R$ (RPV). Específicamente, el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo con $B-L$ introduce una simetría de gauge $U(1)_{B-L}$ y neutrinos estériles diestros. En este marco, la ruptura espontánea de $U(1)_{B-L}$ viola el número leptónico, permitiendo que los supercompañeros decaigan directamente en partículas del Modelo Estándar.

Este trabajo se dirige a un escenario específico que involucra una partícula supersimétrica más ligera (LSP) tipo wino y una partícula supersimétrica siguiente a la más ligera (NLSP). En este modelo, el chargino ($\tilde{\chi}^\pm_1$) y el neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$) son casi degenerados en masa (separación $< 200$ MeV), lo que suprime las desintegraciones estándar que conservan la paridad $R$. En su lugar, estas partículas sufren desintegraciones RPV prompt principalmente en un bosón de Higgs ($h$) y un leptón ($\ell$) o un neutrino ($\nu$): $\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ y $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$. Las búsquedas anteriores de ATLAS han dirigido desintegraciones RPV hacia bosones $Z$ o squarks top; este análisis proporciona sensibilidad complementaria al centrarse en el canal de desintegración del bosón de Higgs ($h \to b\bar{b}$), una región del espacio de fases previamente menos explorada para estos modos específicos de producción de electroweakinos.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recopilados por el detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) entre 2015 y 2023. El conjunto de datos comprende una luminosidad integrada de 196 fb$^{-1}$, dividida entre 140 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}=13$ TeV (Run 2) y 56 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}=13.6$ TeV (Run 3).

• Topología de la Señal: La búsqueda apunta a la producción en pares electrodébil ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$) y a la producción asociada ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$).
  • El canal $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ resulta en un estado final con dos leptones de signo opuesto y dos bosones de Higgs (cuatro jets $b$).
  • El canal $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ resulta en un leptón, dos bosones de Higgs (cuatro jets $b$) y momento transversal faltante ($E_T^{\text{miss}}$) proveniente del neutrino.
• Selección de Eventos: Se requiere que los eventos tengan al menos cuatro jets, con al menos tres identificados como jets etiquetados como $b$ utilizando el algoritmo GN2. La selección de leptones requiere electrones o muones de alto $p_T$ ($p_T > 40$ GeV).
  • Región de Dos Leptones (SR2$\ell$): Requiere dos leptones de signo opuesto. El análisis reconstruye dos candidatos a bosón de Higgs y dos candidatos a chargino. La variable $A_C$ (asimetría de masa entre los dos candidatos a chargino reconstruidos) se utiliza para suprimir el fondo.
  • Región de Un Leptón (SR1$\ell$): Requiere un leptón y un $E_T^{\text{miss}}$ significativo. La masa del neutralino se reconstruye mediante la masa transversal ($m_{N,T}$) utilizando un candidato a Higgs y $E_T^{\text{miss}}$.
• Estimación del Fondo: El fondo dominante es la producción de pares de quarks top ($t\bar{t}$), particularmente $t\bar{t}$ con jets de sabor pesado ($t\bar{t}+b$). Las normalizaciones del fondo se derivan de datos utilizando regiones de control (CR) que invierten criterios específicos de selección de señal (por ejemplo, ventanas de masa del Higgs o variables cinemáticas). Las regiones de validación (VR) confirman la extrapolación de los modelos de fondo.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de verosimilitud de perfil utilizando el marco pyhf. Las incertidumbres sistemáticas (experimentales, teóricas y estadísticas de MC) se tratan como parámetros de molestia. Se establecen límites al 95% de nivel de confianza (CL) utilizando la prescripción $CL_s$.

Contribuciones Clave

1. Primera Restricción en el Canal de Higgs RPV: Este trabajo presenta las primeras restricciones de búsqueda sobre la producción de charginos y neutralinos donde el modo de desintegración dominante es hacia un bosón de Higgs y un leptón/neutrino dentro del marco del MSSM con $B-L$.
2. Etiquetado $b$ Avanzado: El análisis aprovecha el algoritmo de etiquetado $b$ basado en transformadores GN2, que ofrece una mejor rechazo de fondo en comparación con algoritmos anteriores, crucial para aislar la señal $h \to b\bar{b}$.
3. Datos Combinados de Run 2 y Run 3: El análisis integra datos tanto del Run 2 del LHC (13 TeV) como del Run 3 (13.6 TeV), utilizando el aumento de luminosidad y energía para sondear rangos de masa más altos.
4. Límites Específicos de Sabor: Más allá de la suposición estándar de fracciones de ramificación iguales a todos los sabores leptónicos, el análisis deriva límites específicos para escenarios puros de electrón, puro de muón y puro de tau, demostrando el impacto de la eficiencia de reconstrucción leptónica en la sensibilidad.

Resultados
Los datos observados son consistentes con las predicciones del Modelo Estándar en todas las regiones de señal. No se observó un exceso significativo de eventos.

• Límites Independientes del Modelo: Se establecieron límites superiores sobre la sección eficaz visible para procesos más allá del Modelo Estándar en cuatro "regiones de descubrimiento" (SR2$\ell$, SR2$\ell$700, SR1$\ell$, SR1$\ell$600).
• Exclusiones Dependientes del Modelo:
  • Para el escenario donde charginos y neutralinos decaen con una fracción de ramificación del 100% a $h\ell$ y $h\nu$ respectivamente, y asumiendo fracciones de ramificación iguales a los sabores electrón, muón y tau, se excluyen charginos y neutralinos con masas entre 150 GeV y 1100 GeV al 95% CL.
  • Para la hipótesis de electrón puro, se excluyen masas entre 150 GeV y 1225 GeV.
  • Para la hipótesis de muón puro, se excluyen masas entre 150 GeV y 1150 GeV.
  • Para la hipótesis de tau puro, se excluyen masas entre 450 GeV y 750 GeV. La menor sensibilidad para el canal de tau se atribuye a la dificultad en la reconstrucción de taus que decaen hadrónicamente y a la pérdida de energía en los decaimientos leptónicos de tau, lo que a menudo resulta en leptones hijos por debajo del umbral de $p_T$.

Significado
El artículo afirma que estos resultados proporcionan las primeras restricciones sobre el modelo de señal simplificado para charginos y neutralinos que decaen mediante bosones de Higgs en el contexto de la violación de la paridad $R$ en $B-L$. La exclusión de masas hasta 1100–1225 GeV (dependiendo de la hipótesis de sabor) extiende significativamente el alcance de búsquedas anteriores que apuntaban a desintegraciones de bosones $Z$ (que excluían masas hasta ~975 GeV). El análisis demuestra que el canal de desintegración de Higgs, a pesar de la multiplicidad desafiante de jets $b$ y el entorno de fondo, ofrece una sonda poderosa y complementaria para la producción de electroweakinos en escenarios RPV. Los resultados se interpretan como límites sobre secciones eficaces independientes del modelo y parámetros específicos del Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo, contribuyendo al esfuerzo más amplio para restringir el espacio de parámetros de la SUSY.