Search for new physics using single-lepton events with high multiplicities of jets and b jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV del detector CMS, este estudio busca la supersimetría con violación de la paridad R en eventos de un solo leptón con altas multiplicidades de jets y b-jets mediante el análisis de masas de jets de radio grande, sin encontrar un exceso significativo y excluyendo masas de gluino por debajo de 1890 GeV con un nivel de confianza del 95%.

Lo esencial

La visión general: La caza de partículas "fantasma" en una máquina de pinball cósmica

Imagine el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN como la máquina de pinball cósmica más poderosa del mundo. Los científicos chocan dos corrientes de protones a casi la velocidad de la luz. Por lo general, estas colisiones crean una lluvia predecible de partículas que siguen las reglas del "Modelo Estándar" (el libro de reglas de la física que ya conocemos).

Pero, a veces, el libro de reglas podría estar incompleto. Este artículo describe una búsqueda de nueva física —específicamente una teoría llamada Supersimetría (SUSY)— que podría explicar cosas que el libro de reglas actual no puede.

El misterio: El problema del "dinero faltante"

En muchas versiones de la Supersimetría, cuando se crean nuevas partículas pesadas, estas se desintegran en una partícula estable e invisible (como un candidato a materia oscura). Debido a que esta partícula invisible sale volando sin golpear ningún detector, parece dinero faltante en una cuenta bancaria. Los científicos suelen buscar este "dinero faltante" (llamado momento transversal faltante) para encontrar nueva física.

Sin embargo, este artículo investiga una versión diferente de la teoría llamada Supersimetría con Violación de la Paridad-R (RPV).

• La analogía: Imagine a un ladrón de bancos que no solo roba el dinero y desaparece. En su lugar, roba el dinero y lo gasta inmediatamente en artículos visibles (como lingotes de oro y joyas) antes de huir.
• El resultado: No queda "dinero faltante". El ladrón se ha ido, pero la pila de oro y joyas (las partículas) es enorme y muy obvia.

Debido a que no hay "dinero faltante" que buscar, los científicos tuvieron que cambiar su estrategia. Dejaron de buscar el espacio vacío y empezaron a buscar pilas masivas de escombros.

La estrategia: Contar los escombros

Los científicos se centraron en un escenario específico donde una partícula pesada llamada gluino (piense en ella como una partícula de "pegamento" súper pesada) se crea y luego explota.

• La explosión: Cuando el gluino explota, no solo crea unas pocas migajas; crea una tormenta caótica de jets (chorros de partículas).
• Los detalles: La teoría predice que cada explosión crea un quark top, un quark bottom y un quark strange. Los quarks bottom son como "lingotes de oro pesados" en esta tormenta.
• La señal: Los científicos buscaron eventos con:
  1. Un Leptón: Un único electrón o muón (como una sola chispa distinta en la tormenta).
  2. Alta multiplicidad de jets: Un número enorme de chorros de partículas (la tormenta misma).
  3. Muchos "b-jets": Muchos de esos chorros que contienen quarks bottom pesados (los lingotes de oro).
  4. Sin energía faltante: El "ladrón" no se fue con ningún botín invisible.

Para medir el tamaño de esta tormenta, utilizaron una herramienta especial llamada $M_J$ (la suma de las masas de los grandes cúmulos de partículas). Si la nueva física existe, este número debería ser muy alto, creando una "montaña" de datos que no encaja con las colinas normales del fondo.

El método: El trabajo de detective "basado en datos"

La parte más difícil de este experimento es saber cómo es lo "normal". El ruido de fondo proviene de colisiones de partículas estándar (como pares de quarks top) que pueden parecer accidentalmente la señal.

En lugar de confiar enteramente en simulaciones por computadora (que a veces pueden equivocarse sobre las "colas" de la distribución), el equipo utilizó un enfoque basado en datos:

1. Regiones de control: Observaron áreas de los datos donde sabían que solo existía ruido de fondo (como observar una calle tranquila para entender el sonido del tráfico).
2. Calibración: Midieron cómo se comportaba el fondo en estas áreas tranquilas y usaron eso para predecir cómo debería verse el fondo en las "Regiones de Señal" (las calles concurridas donde esperaban encontrar la nueva física).
3. El ajuste: Compararon los datos reales en las Regiones de Señal contra sus predicciones.

Los resultados: El silencio de los gluinos

Tras analizar 138 unidades de datos (una cantidad enorme de historia de colisiones recolectada entre 2016 y 2018), los científicos encontraron:

• Sin sorpresas: Los datos coincidieron perfectamente con las predicciones del fondo. No hubo una "montaña" de nueva física.
• La exclusión: Debido a que no vieron la señal, pudieron descartar ciertas posibilidades. Concluyeron que, si estos gluinos específicos existen, deben ser más pesados que 1,890 GeV (unas 2,000 veces más pesados que un protón).
• La conclusión: Cualquier gluino más ligero que eso ha sido "excluido" (descartado) por esta búsqueda.

Resumen

Este artículo es un juego de alto riesgo de "¿Dónde está Waldo?" en una multitud masiva de partículas. El equipo buscó un tipo específico de "ladrón" (un gluino) que deja tras de sí una pila masiva de evidencia visible (jets y quarks bottom) pero ningún botín invisible. Revisaron cada rincón de los datos, calibraron su búsqueda utilizando ejemplos del mundo real y no encontraron nada. En consecuencia, declararon que, si estas partículas existen, son demasiado pesadas para haber sido atrapadas en esta red específica. La búsqueda de versiones más ligeras de estas partículas ha resultado infructuosa.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsqueda de Nueva Física en Eventos de Un Solo Leptón con Altas Multiplicidades de Jets a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema y Motivación
El Modelo Estándar (SM) describe con éxito las partículas fundamentales, pero no logra abordar desafíos teóricos como las jerarquías de masa de las partículas y la unificación de las constantes de acoplamiento. La Supersimetría (SUSY) ofrece una solución potencial, sin embargo, las búsquedas de SUSY que conservan la paridad-R (R-parity) a menudo dependen de firmas de gran momento transversal faltante ($p^{\text{miss}}_T$), las cuales están ausentes en los escenarios de violación de la paridad-R (RPV). En los modelos RPV, la partícula supersimétrica más ligera (LSP) puede decaer en partículas del SM, eliminando la firma de $p^{\text{miss}}_T$ y requiriendo estrategias de búsqueda alternativas. Este artículo aborda la búsqueda de RPV SUSY, centrándose específicamente en la producción de pares de gluinos donde los gluinos decaen en quarks top ($t$), bottom ($b$) y strange ($s$) a través del acoplamiento $\lambda''_{323}$ en un marco de violación de sabor mínima. El análisis se dirige a eventos con altas multiplicidades de jets, altos conteos de jets $b$ y un solo leptón, sin requerir un momento transversal faltante significativo.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector CMS en el LHC del CERN durante 2016–2018, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$ a una energía de centro de masa de 13 TeV.

• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan requiriendo exactamente un electrón o muón aislado ($N_{\text{lep}} = 1$), al menos cuatro jets de radio pequeño ($R=0.4$), y una suma escalar de los momentos transversales de los jets ($H_T$) mayor a 1200 GeV. Un discriminante clave es la suma de las masas de los jets de radio grande ($M_J$), definida como la suma de las masas de los jets agrupados con $R=1.2$ (incluyendo el leptón seleccionado). Se aplica un requisito base de $M_J > 500$ GeV.
• Regiones de Análisis: La búsqueda se realiza en bins de multiplicidad de jets ($N_{\text{jet}}$) y del número de jets con etiqueta $b$ ($N_b$). Las regiones de señal (SRs) se definen en bins de alta $N_{\text{jet}}$ y alta $N_b$ (específicamente $N_{\text{jet}} \ge 8$ y $N_b \ge 3$), mientras que las regiones de control (CRs) con menores multiplicidades se utilizan para restringir las normalizaciones de fondo.
• Estimación de Fondo: Los fondos dominantes son la producción de pares de quarks top ($t\bar{t}$), W+jets y eventos de QCD multijet. Se emplea un enfoque basado en datos donde las normalizaciones de fondo se determinan mediante un ajuste simultáneo a la distribución de $M_J$ en todos los bins.
  • Factores $\kappa$: Para corregir las discrepancias entre la simulación y los datos en la forma de $M_J$, se derivan factores de corrección ($\kappa_1$ y $\kappa_2$) a partir de muestras de control independientes para QCD multijet, W+jets y $t\bar{t}$. Estos factores están restringidos en un ajuste global utilizando las grandes estadísticas de las regiones de bajo $N_b$.
  • Normalización: Las normalizaciones de $t\bar{t}$ y QCD multijet se tratan como parámetros libres restringidos por las CRs (incluyendo una región con $N_{\text{lep}}=0$ con requisitos de $N_{\text{jet}}$ desplazados). La normalización de W+jets se restringe mediante un parámetro global en todos los bins.
• Incertidumbres Sistemáticas: Las incertidumbres incluyen la escala/resolución de la energía de los jets, la eficiencia de etiquetado de $b$ (b-tagging), la identificación de leptones, el pileup y las variaciones de escala teórica. El análisis aborda específicamente las dependencias potenciales de la forma de $M_J$ respecto a $N_b$ (por ejemplo, debido al desdoblamiento de gluones) asignando incertidumbres separadas para cada bin de $N_b$.

Contribuciones Clave

• Discriminante Novedoso: El artículo demuestra la eficacia de la suma de las masas de los jets de radio grande ($M_J$) como una variable robusta para distinguir eventos de señal de alta multiplicidad de los fondos del SM en ausencia de $p^{\text{miss}}_T$.
• Modelado de Fondo Basado en Datos: Se presenta una estrategia refinada donde los fondos se normalizan por separado en cada bin de $N_b$. Esto mitiga las incertidumbres sistemáticas relacionadas con la composición de sabor de los jets y el desdoblamiento de gluones, que fueron factores limitantes en análisis previos.
• Marco de Ajuste Integral: El uso de un ajuste de máxima verosimilitud bincado simultáneo a través de los bins de $N_{\text{jet}}$, $N_b$ y $M_J$ permite la extracción simultánea de las normalizaciones de fondo y los factores de corrección de forma ($\kappa$ factors), maximizando el uso de las regiones de control para restringir las regiones de señal.

Resultados
Los rendimientos de eventos observados en las regiones de señal son consistentes con las predicciones de fondo. No se observa un exceso significativo de datos sobre el fondo en la distribución de $M_J$.

• Límites de Exclusión: Basándose en el resultado nulo, se establecen límites superiores en la sección eficaz de producción por relación de ramificación (branching ratio) al 95% de nivel de confianza (CL).
• Límites de Masa: Para el modelo simplificado específico de producción de pares de gluinos ($\tilde{g}\tilde{g} \to tbs \, tbs$), se excluyen masas de gluino por debajo de 1890 GeV al 95% CL. Este resultado mejora los límites previos, incluyendo los de ATLAS (1830 GeV) y resultados anteriores de CMS.

Significancia
Este trabajo proporciona una prueba estricta de la supersimetría con violación de paridad-R en un régimen caracterizado por altas multiplicidades de jets y jets $b$ sin momento transversal faltante. Al excluir masas de gluino de hasta 1890 GeV, el análisis restringe significativamente el espacio de parámetros de los modelos de RPV SUSY de violación de sabor mínima. La metodología, particularmente la estimación de fondo basada en datos usando plantillas de $M_J$ y la normalización bincada por $N_b$, ofrece un marco robusto para futuras búsquedas de nueva física en estados finales de alta multiplicidad donde las firmas tradicionales de energía faltante no son aplicables. Los resultados son consistentes con el Modelo Estándar y representan la búsqueda más sensible hasta la fecha para esta topología de decaimiento específica de gluinos.