Search for soft unclustered energy patterns containing muons in the final state in $pp$ 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 busca patrones de energía suave no agrupada (SUEPs) que contengan muones en escenarios de Valle Oculto, no encontrando ningún exceso significativo sobre las expectativas del Modelo Estándar y estableciendo límites de exclusión sobre la sección eficaz de producción y la fracción de ramificación para mediadores escalares con masas que van desde 125 hasta 750 GeV.

Lo esencial

La Búsqueda del "Patrón de Energía Suave No Agrupada" (SUEP)

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como el destructor de partículas más potente del mundo. Por lo general, cuando los científicos hacen chocar protones entre sí, esperan que los escombros salgan disparados de formas específicas y predecibles, como dos coches que chocan y envían piezas volando en chorros distintos y de alta velocidad.

Pero, ¿y si, en lugar de un choque, la colisión creara una nube suave y en expansión de miles de partículas diminutas y de movimiento lento? Esta es la idea detrás de un "Patrón de Energía Suave No Agrupada" (SUEP).

Este documento es un informe del experimento ATLAS en el CERN, donde los científicos buscaron este tipo específico de "nube" en 140 billones de colisiones de protones. Aquí se detalla lo que hicieron y lo que encontraron, utilizando analogías sencillas.

1. La Teoría: El "Fiesta Oculta"

Los científicos buscan evidencia de un "Valle Oculto".

• La Analogía: Imagina el Modelo Estándar de la física como una ciudad bulliciosa y ruidosa. El "Valle Oculto" es un vecindario secreto y paralelo justo al lado que no podemos ver directamente.
• La Conexión: A veces, se crea un "mensajero" (llamado mediador escalar) en la ciudad. Este mensajero viaja al vecindario secreto y organiza una fiesta.
• La Fiesta: En este vecindario oculto, las reglas son diferentes. En lugar de unos pocos invitados ruidosos (partículas de alta energía), la fiesta produce una multitud masiva de cientos de invitados silenciosos y de baja energía (partículas suaves).
• La Salida: Eventualmente, estos invitados silenciosos escapan del vecindario secreto y vuelven a entrar en nuestra ciudad visible. Si lo hacen, llegan como un estallido súbito e isotrópico (igual en todas las direcciones) de muchas partículas de baja energía.

2. El Desafío: Encontrar una Aguja en un Pajar

El problema es que estos "invitados silenciosos" son muy difíciles de detectar.

• El Problema del Disparador: El detector ATLAS es como un sistema de cámaras de seguridad diseñado para captar eventos rápidos y ruidosos (como un coche a alta velocidad). A menudo ignora las cosas lentas y silenciosas.
• El Ruido de Fondo: El mundo real está lleno de "ruido". Cuando los protones colisionan, a menudo producen partículas pesadas (como quarks top) que decaen en muones (un tipo de partícula similar al electrón pero más pesada). Estos muones suelen aparecer en pares o pequeños grupos y vuelan en direcciones específicas.
• La Estrategia: El equipo decidió buscar una firma muy específica: un gran grupo de muones que sean:
  1. Suaves: Movimiento lento (baja energía).
  2. Prompt: Aparecen inmediatamente (no retrasados).
  3. Isotrópicos: Distribuidos uniformemente en un círculo, como un diente de león, en lugar de volar en línea recta como un chorro.

3. La Investigación: Cómo Buscaron

Los científicos analizaron datos de 2015 a 2018 (140 fb⁻¹ de datos). Utilizaron un filtro inteligente de dos pasos para separar la "señal" (el SUEP) del "ruido" (fondo estándar):

• Paso 1: El Recuento de Muones. Buscaron eventos con al menos 5 muones.
• Paso 2: La Verificación de la Forma (Esfericidad).
  • Ruido de Fondo: Por lo general, los muones de fondo provienen del decaimiento de partículas pesadas. Tienden a agruparse o volar en dos direcciones opuestas (como un motor a reacción).
  • La Señal: Un evento SUEP se vería como una esfera perfecta de muones, distribuidos uniformemente en todas las direcciones.
• Paso 3: El Recuento de Rastros. También contaron el número total de rastros cargados (trayectorias dejadas por las partículas). Un evento SUEP debería tener muchos rastros debido al gran número de partículas, mientras que los eventos de fondo suelen tener menos.

Utilizaron un método estadístico llamado método ABCD. Piénsalo como un juego de "Caliente y Frío". Definieron cuatro zonas basadas en lo "esférico" que era el evento y en cuántos rastros tenía. Utilizaron tres zonas para aprender cómo se ve el ruido de fondo y luego verificaron la cuarta zona (la "Región de Señal") para ver si había algún invitado inesperado.

4. Los Resultados: No Se Encontraron Nuevas Partículas

Después de hacer los cálculos, el resultado fue claro: No se encontró ningún exceso significativo.

• El Resultado: El número de eventos que vieron en la "Región de Señal" coincidió exactamente con lo que esperaban del ruido de fondo estándar. No hubo ningún "diente de león" de partículas del Valle Oculto.
• Los Límites: Aunque no lo encontraron, establecieron límites estrictos sobre cuán pesada podría ser la partícula "mensajera" y cuán probable es que decaiga en este estado oculto.
  • Si el mensajero es pesado (750 GeV), la probabilidad de que se convierta en un SUEP es menor al 0,05 % (muy raro).
  • Si el mensajero es el bosón de Higgs (125 GeV), la probabilidad de que decaiga en este estado oculto es menor al 0,2 %.

5. Conclusión

El equipo de ATLAS lanzó exitosamente una red amplia para un tipo muy exótico de evento físico. Demostraron que si estos "Patrones de Energía Suave No Agrupada" existen, son aún más raros de lo que se pensaba anteriormente, o no existen en los rangos de masa específicos que probaron.

En resumen: Buscaron una nube silenciosa y esférica de partículas en una colisión ruidosa y caótica. No encontraron la nube, pero mapearon con éxito exactamente dónde no está, ayudando a estrechar la búsqueda de nueva física en el futuro.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsqueda de Patrones de Energía Suave No Agrupados que Contienen Muones en Colisiones $pp$a$\sqrt{s}=13$ TeV

Problema y Motivación
Los modelos de Valle Oculto (HV) proponen un sector oculto conectado al Modelo Estándar (ME) mediante interacciones de portal débil. Mientras que muchas búsquedas se dirigen a sectores ocultos que producen firmas similares a chorros (por ejemplo, chorros semi-visibles o emergentes), los escenarios donde el sector oculto permanece fuertemente acoplado muy por encima de su escala de hadronización pueden producir "Patrones de Energía Suave No Agrupados" (SUEP). Estas firmas consisten en partículas de alta multiplicidad y bajo momento distribuidas aproximadamente de forma isotrópica en el marco del centro de masas. Tales eventos son difíciles de disparar y reconstruir debido a la ausencia de objetos duros o colimados. Búsquedas anteriores por parte de la Colaboración CMS se dirigieron a SUEP utilizando radiación de estado inicial de alto momento transversal o producción asociada con bosones vectoriales, pero estos enfoques eran principalmente sensibles a masas grandes de mediadores o requerían multiplicidades de partículas muy altas, limitando la cobertura para escenarios con multiplicidades más bajas y rangos de masa específicos de fotones oscuros. Este artículo presenta una búsqueda complementaria dirigida a estados finales con una alta multiplicidad de muones prompt, extendiendo la sensibilidad a escenarios SUEP con multiplicidades de partículas moderadas y fracciones sustanciales de muones.

Metodología
El análisis utiliza 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s}=13$ TeV recopilados por el detector ATLAS durante 2015–2018. La búsqueda se dirige a la producción de fusión gluón-gluón de un mediador escalar $S$ (ya sea el bosón de Higgs del ME o un escalar más pesado) que decae en un sector oculto cuasi-conformal. Las partículas del sector oculto generan cascadas y se hadronizan en mesones oscuros ($\phi$), que decaen promptamente en fotones oscuros ($A'$), desintegrándose posteriormente en partículas del ME (electrones, muones y hadrones).

• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan utilizando disparadores de múltiples muones (requiriendo $\ge 3$ muones con $p_T > 6$ GeV en 2015–2016, o $\ge 4$ muones con $p_T > 4$ GeV en 2017–2018). La selección en línea requiere:
  • Al menos 5 muones prompt ($N_\mu \ge 5$).
  • Momento transversal promedio de muones $\langle p_T^\mu \rangle < 10$ GeV para suprimir fondos de desintegraciones de partículas pesadas (por ejemplo, $Z$, $t\bar{t}$).
  • Significancia del parámetro de impacto transversal del muón de mayor $p_T$, $d_0^{sig}(\mu_1) < 3$, para asegurar la promptitud.
• Observables Discriminantes: Se utilizan dos observables clave para distinguir la señal del fondo dominante de multichorros QCD:
  1. Esfericidad de Muones ($S_\mu$): Calculada en el marco de reposo del sistema de muones para caracterizar la distribución isotrópica de los muones de señal. Se espera que los eventos de señal tengan una esfericidad alta ($S_\mu > 0.6$), mientras que los eventos de fondo tienden a ser más colimados.
  2. Multiplicidad de Trazas Corregida ($N_{tracks}$): El número de trazas de partículas cargadas asociadas al vértice primario, corregido por contribuciones de apilamiento utilizando un método basado en datos que se fundamenta en la posición longitudinal del vértice primario y la luminosidad instantánea.
• Estimación de Fondo: El fondo se estima utilizando un método ABCD basado en datos y verosimilitud. El método explota la débil correlación entre $N_{tracks}$ y $S_\mu$ en las regiones de validación (definidas variando la multiplicidad de muones y la significancia del parámetro de impacto). La predicción del fondo se restringe mediante ajustes de máxima verosimilitud a los datos en regiones de control, con incertidumbres sistemáticas que dan cuenta de las correlaciones residuales y las variaciones de modelado.

Contribuciones Clave

• Estrategia de Disparo Novel: El análisis demuestra la efectividad de los disparadores de múltiples muones para búsquedas de SUEP, permitiendo sensibilidad a escenarios con multiplicidades de partículas moderadas que anteriormente eran inaccesibles para los disparadores basados en calorímetros.
• Modelado de Fondo Basado en Datos: La implementación de un método ABCD robusto utilizando $N_{tracks}$ y $S_\mu$ permite una predicción de fondo totalmente basada en datos sin depender de muestras de fondo simuladas para el componente dominante de multichorros QCD.
• Barrido Exhaustivo de Parámetros: El estudio explora un amplio rango de parámetros del modelo, incluidas masas de mediadores ($m_S = 125, 400, 750$ GeV), masas de mesones oscuros ($m_\phi = 1.5, 3, 5$ GeV), temperaturas de Hagedorn ($T$) y masas de fotones oscuros ($m_{A'} = 0.3, 0.5, 0.7$ GeV).

Resultados
No se observa un exceso significativo sobre la expectativa del Modelo Estándar en la región de búsqueda. Los resultados se interpretan como límites superiores al nivel de confianza del 95% (CL) sobre el producto de la sección eficaz de producción del mediador y la rama de desintegración para su desintegración en un SUEP ($\sigma_S \times \mathcal{B}(S \to \text{SUEP})$).

• Límites de Exclusión: Los límites observados alcanzan:
  • $\sim 0.05$ fb para $m_S = 750$ GeV.
  • $\sim 0.4$ fb para $m_S = 400$ GeV.
  • $\sim 70$ fb para $m_S = 125$ GeV.
• Rama de Desintegración del Higgs: Para el caso donde el mediador es el bosón de Higgs del ME ($m_S = 125$ GeV), el límite superior sobre la rama de desintegración $\mathcal{B}(H \to \text{SUEP})$ es aproximadamente 0.2% (específicamente $\sim 0.3\%$ para $m_\phi = T = 3, 5$ GeV y $m_{A'} = 0.5$ GeV). Esto representa una mejora significativa sobre los límites anteriores para parámetros de modelo similares.
• Sensibilidad: Los límites más fuertes se obtienen generalmente para $m_\phi = T = 3$ GeV. La sensibilidad disminuye para valores más bajos debido a la eficiencia reducida del disparo para partículas más suaves y para valores más altos debido a la multiplicidad de partículas reducida.

Significado
Esta búsqueda extiende la sensibilidad a escenarios SUEP más allá de los resultados anteriores del LHC, particularmente en regiones del espacio de parámetros caracterizadas por multiplicidades de partículas moderadas y fracciones sustanciales de muones en el estado final. Al utilizar disparadores de múltiples muones y una técnica de estimación de fondo basada en datos, el análisis proporciona un enfoque complementario a las búsquedas existentes dirigidas principalmente a estados finales hadrónicos. Los resultados restringen una amplia gama de modelos de Valle Oculto y demuestran la capacidad del detector ATLAS para sondear firmas no convencionales, suaves e isotrópicas. El artículo afirma que estos límites son de uno a cuatro órdenes de magnitud más estrictos que los resultados anteriores para escenarios de referencia específicos, mejorando significativamente las restricciones sobre la rama de desintegración del bosón de Higgs hacia desintegraciones al sector oculto.