Search for supersymmetric particle pair production in final states with two oppositely charged leptons and large missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Búsqueda de la producción de pares de partículas supersimétricas en estados finales con dos leptones de carga opuesta y gran momento transversal faltante

Problema y motivación
El Modelo Estándar (SM) de la física de partículas, aunque exitoso, carece de un candidato viable para la materia oscura y no logra resolver la jerarquía entre la masa del bosón de Higgs y la escala de Planck. La supersimetría (SUSY) aborda estas limitaciones introduciendo supercompañeros para los campos del SM. En los modelos que conservan la paridad R, el neutralino más ligero ($\tilde{\chi}^0_1$) es estable y sirve como candidato a materia oscura. Este artículo presenta una búsqueda de la producción directa de pares de partículas supersimétricas —específicamente carginos ($\tilde{\chi}^\pm_1$), top squarks ($\tilde{t}_1$) y sleptones ($\tilde{\ell}$)— en colisiones protón-protón a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV. El análisis se dirige a estados finales caracterizados por dos leptones de carga opuesta (electrones o muones) y un gran momento transversal faltante ($p^{\text{miss}}_T$), firmas que surgen de la desintegración de estas partículas hacia el neutralino estable.

Metodología
El análisis utiliza 138 fb$^{-1}$ de datos recolectados por el detector CMS entre 2016 y 2018. La selección de eventos requiere dos leptones aislados de carga opuesta con $p_T > 25$ (líder) y $20$ (seguidor) GeV, y $p^{\text{miss}}_T > 160$ GeV. Para suprimir los fondos del SM, se rechazan los eventos con un tercer leptón o con una masa invariante del par de leptones ($m_{\ell\ell}$) cercana a la masa del bosón Z.

La estrategia de búsqueda emplea un ajuste de máxima verosimilitud (ML) simultáneo a la distribución de $m_{T2}$ (una variable de masa transversal generalizada para dos partículas invisibles) a través de múltiples Regiones de Búsqueda (SR) y Regiones de Control (CR). Las SR se categorizan según:

1. Sabor de leptones: Canales de mismo sabor (SF) y de diferente sabor (DF).
2. Binning de $p^{\text{miss}}_T$: Cuatro bins que van desde 160 GeV hasta $>380$ GeV.
3. Multiplicidad de jets: Específicamente adaptada para búsquedas de top squarks para distinguir entre espectros de masa comprimidos (baja actividad de jets) y escenarios con mayores desdoblamientos de masa.
   • Búsquedas de carginos/sleptones: Veto de jets con etiqueta $b$ para rechazar los fondos $t\bar{t}$ y $tW$.
   • Búsquedas de top squarks: Se definen regiones con cero jets con etiqueta $b$ (sensibles a espectros comprimidos donde los $b$-jets son blandos) y regiones con al menos un jet con etiqueta $b$. Se aplica una selección específica de "ISR duro" para altos valores de $p^{\text{miss}}_T$ para explotar el retroceso contra los jets de radiación de estado inicial.

La estimación del fondo se basa en métodos basados en datos siempre que es posible. Las normalizaciones de los fondos dominantes ($t\bar{t}$, $tW$, $WW$) están restringidas por el ajuste ML en regiones de bajo $m_{T2}$. Los fondos secundarios ($WZ$, $ZZ$, $t\bar{t}Z$, Drell-Yan) están restringidos mediante CR dedicadas. Las incertidumbres sistemáticas, incluyendo las relacionadas con el rendimiento del detector, la luminosidad y el modelado teórico (por ejemplo, el modelado de la cola de $m_{T2}$), se incorporan mediante parámetros de molestia (nuisance parameters).

Contribuciones clave

• Alcance de masa extendido: Este análisis extiende las restricciones previas de CMS optimizando la selección de eventos para topologías específicas, particularmente en la región de masa comprimida para top squarks y en la región de alta masa para carginos.
• Escenarios de señal exhaustivos: El artículo interpreta los resultados para tres mecanismos de producción distintos:
  1. Producción de pares de carginos a través de sleptones/sneutrinos intermedios y mediante la desintegración directa a $W\tilde{\chi}^0_1$.
  2. Producción de pares de top squarks desintegrándose en $t\tilde{\chi}^0_1$ (región comprimida $m_W < \Delta m \lesssim m_t$) y vía $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$.
  3. Producción de pares de sleptones desintegrándose en $\ell\tilde{\chi}^0_1$.
• Mejora en el modelado del fondo: El análisis introduce correcciones específicas para el modelado de la cola de $m_{T2}$ en eventos $t\bar{t}$ y $WW$, abordando el modelado erróneo observado en los datos a altos $p^{\text{miss}}_T$ y refinando el tratamiento de los leptones no prompt.

Resultados
No se observó un exceso significativo de eventos sobre las predicciones del SM en ninguna de las regiones de búsqueda. En consecuencia, se establecieron límites superiores al nivel de confianza (CL) del 95% para las secciones eficaces de producción de los modelos considerados. Los límites observados generalmente concuerdan con los límites esperados dentro de las incertidumbres experimentales.

• Carginos: En el escenario donde los carginos se desintegran a través de sleptones intermedios, se excluyen masas de carginos de hasta 1120 GeV para un neutralino sin masa. Para una masa de cargino de $\sim 820$ GeV, se excluyen masas de neutralino de hasta 490 GeV. En el escenario de desintegración directa ($\tilde{\chi}^\pm_1 \to W^\pm \tilde{\chi}^0_1$), se excluyen masas de cargino entre 260–380 GeV para neutralinos por debajo de 25 GeV.
• Top Squarks: En la región de masa comprimida ($m_W < m_{\tilde{t}_1} - m_{\tilde{\chi}^0_1} \lesssim m_t$), se excluyen masas de top squark de hasta 500–540 GeV para la desintegración $\tilde{t}_1 \to t^*\tilde{\chi}^0_1$. Para la cadena de desintegración $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$, se excluyen masas de hasta 540 GeV en la región comprimida.
• Sleptones: Se excluyen masas de sleptones de hasta 700 GeV para un neutralino sin masa. Para masas de sleptones por debajo de 150 GeV, se excluyen desdoblamientos de masa mayores a 30 GeV.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados constituyen las restricciones más estrictas disponibles actualmente para la producción de pares de carginos involucrando modos de desintegración a través de sleptones intermedios. El análisis complementa con éxito las búsquedas previas en espectros comprimidos de baja masa y estados finales hadrónicos, cubriendo eficazmente el vacío entre ellas. Al extender el alcance de exclusión para top squarks en la región comprimida en aproximadamente 100 GeV en comparación con las búsquedas previas de dileptones, este trabajo estrecha significativamente el espacio de parámetros para los escenarios de SUSY natural donde la masa del top squark está cerca de la escala del TeV. Los resultados proporcionan restricciones robustas para los modelos simplificados de SUSY, reforzando la ausencia de evidencia de la supersimetría en las configuraciones de masa y desintegración exploradas.