Search for signatures of electroweakinos with photons, jets, and large missing transverse momentum in $\sqrt{s}=13$ TeV pp collisions with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV, la collaboration ATLAS a recherché des signatures d'électroweakinos dans des états finals contenant des photons, des jets et une impulsion transverse manquante, n'observant aucun excès significatif par rapport aux prédictions du Modèle Standard et établissant des limites d'exclusion au niveau de confiance de 95 % sur les masses de gaugino jusqu'à 1,2 TeV.

L'essentiel

La Vue d'Ensemble : Une Chasse au Trésor Cosmique

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme l'accélérateur de particules le plus puissant au monde, essentiellement une gigantesque piste de course à grande vitesse où des protons (de minuscules particules subatomiques) sont projetés l'un contre l'autre à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu'ils entrent en collision, ils créent une pluie de débris, tout comme si l'on écrasait deux montres complexes l'une contre l'autre pour voir quels engrenages, ressorts et vis s'envolent.

L'expérience ATLAS est l'une de ces gigantesques « caméras » (détecteurs) qui observent ces collisions. Ce document décrit une recherche spécifique menée par l'équipe ATLAS en utilisant des données collectées de 2015 à 2018. Ils cherchaient un type de débris très spécifique et rare qui ne devrait pas exister selon notre compréhension actuelle de la physique (le Modèle Standard).

La Théorie : Le « Fantôme Invisible » et l'« Éclat Brillant »

Les scientifiques traquaient des preuves de la Supersymétrie (SUSY). Considérez le Modèle Standard comme un puzzle de l'univers achevé. La SUSY suggère qu'il existe un puzzle plus vaste et caché où chaque pièce que nous connaissons possède un « jumeau d'ombre » plus lourd et plus difficile à trouver.

Dans cette recherche spécifique, ils cherchaient un scénario impliquant :

1. Les Neutralinos : Ce sont les « jumeaux d'ombre » de particules comme le photon et le boson Z. Imaginez-les comme des fantômes lourds et invisibles créés par paires lors de la collision.
2. Les Gravitinos : Ce sont les particules les plus légères et les plus insaisissables de la théorie. Ils sont comme des « fantômes de fantômes » — si légers et faibles qu'ils traversent le détecteur sans laisser de trace. Dans cette théorie, ils constituent la pièce « manquante » ultime.
3. La Désintégration : Lorsqu'un lourd fantôme Neutralino se désintègre, il peut se transformer en un Gravitino (qui disparaît) et un Photon (une particule de lumière) ou un Boson Z (qui se brise rapidement en d'autres particules).

La Signature : Ce Qu'ils Cherchaient

Si cette théorie est vraie, une collision devrait produire une « empreinte digitale » très spécifique dans le détecteur :

• Un Éclat Brillant : Au moins un photon de haute énergie (une particule de lumière).
• Un Jet de Particules : Un éventail de particules (jets) créé par les débris.
• La Grande Disparition : Une énorme quantité d'énergie « manquante ». Puisque les fantômes Gravitino s'échappent du détecteur sans être vus, le bilan énergétique de la collision ne s'équilibre pas. L'énergie entrante ne correspond pas à l'énergie sortante. Cette « impulsion manquante » est la preuve accablante.

L'Enquête : Tamisant le Bruit

L'équipe a analysé une quantité massive de données (140 « femtobarns inversés », ce qui est une manière élégante de dire qu'ils ont examiné des billions de collisions).

Pour trouver leur signal, ils ont dû filtrer le « bruit ». Imaginez essayer d'entendre un chuchotement spécifique dans un stade bondé. La plupart du temps, l'« énergie manquante » n'est qu'une erreur de mesure ou une particule perdue dans les parois du détecteur. L'équipe a construit trois « zones de recherche » (Régions de Signal) différentes basées sur la quantité d'énergie manquante :

• Zone de Faible Masse : À la recherche de fantômes plus légers.
• Zone de Masse Moyenne : À la recherche de fantômes de poids moyen.
• Zone de Haute Masse : À la recherche de fantômes très lourds.

Ils ont également dû faire attention à ne pas confondre de vrais signaux avec des « faux », comme un jet de particules qui ressemble accidentellement à un photon, ou un bug de mesure donnant l'impression que de l'énergie a disparu. Ils ont utilisé des astuces statistiques avancées et des « salles de contrôle » (où ils savaient que la physique était standard) pour calibrer leurs attentes.

Les Résultats : Le Silence des Fantômes

Après avoir fait les calculs, le résultat était clair : Ils n'ont rien trouvé.

• Pas d'Excès : Le nombre d'événements observés avec un photon, des jets et de l'énergie manquante correspondait exactement à ce que prédisait le Modèle Standard. Il n'y avait pas de « chuchotement supplémentaire » dans le stade.
• Pas de Nouvelle Physique : Ils n'ont pas trouvé de preuves de ces particules supersymétriques spécifiques.

Ce Que Cela Signifie (Selon le Document)

Puisqu'ils n'ont pas trouvé les fantômes, ils ont dû définir des limites sur l'endroit où ils pourraient se cacher.

• La Limite d'Exclusion : Ils peuvent désormais affirmer avec 95 % de confiance que si ces fantômes spécifiques « bino-higgsino » existent, ils doivent être plus lourds que 1,2 TeV (une unité de masse).
• La Carte : Ils ont créé une carte montrant que pour certaines combinaisons de la désintégration de ces particules, des masses allant jusqu'à 1,2 TeV sont exclues. S'ils existent, ils sont plus lourds que les particules les plus lourdes que nous ayons découvertes jusqu'à présent.

En Résumé

La collaboration ATLAS a recherché un type spécifique de particule « fantôme invisible » qui laisserait un éclat lumineux et une traînée d'énergie manquante. Ils ont examiné 140 billions de collisions et n'ont trouvé aucune preuve de son existence. Bien qu'ils n'aient pas trouvé la nouvelle physique qu'ils espéraient, ils ont réussi à rétrécir le champ de recherche, disant aux physiciens de l'avenir : « Si ces particules existent, elles sont plus lourdes que 1,2 TeV, alors cherchez plus loin dans cette direction. »

Résumé technique

1. Problème et Motivation Physique

L'article traite de la recherche de physique au-delà du Modèle Standard (MS), en se concentrant spécifiquement sur la Supersymétrie (SUSY) dans le cadre de la Généralisation de la Médiation de Jauge (GGM).

• Contexte Théorique : Dans les modèles GGM, le gravitino ($\tilde{G}$) est la particule supersymétrique la plus légère (LSP) et est stable en raison de la conservation de la parité-R, ce qui en fait un candidat à la matière noire. La particule supersymétrique suivante la plus légère (NLSP) est supposée être le neutralino le plus léger ($\tilde{\chi}^0_1$), qui est un mélange d'états bino et higgsino.
• Signature de Désintégration : Le $\tilde{\chi}^0_1$ se désintègre en un gravitino et un boson du Modèle Standard : un photon ($\gamma$), un boson $Z$ ou un boson de Higgs ($h$). Les rapports d'embranchement dépendent de la composition bino/higgsino.
• Processus Cible : L'analyse vise la production par paires d'électroweakinos (spécifiquement $\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_2$, $\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^\pm_1$, etc.) où les états plus lourds se désintègrent en $\tilde{\chi}^0_1$, qui se désintègre ensuite.
• État Final : La recherche vise les événements contenant au moins un photon isolé de haut $p_T$, des jets et une grande impulsion transverse manquante ($E^{\text{miss}}_T$) résultant des deux gravitinos échappés. Cette signature se distingue des recherches précédentes qui se concentraient exclusivement sur les états finals diphotons ou les canaux de production forte.

2. Méthodologie

Données et Simulation

• Jeu de Données : L'analyse utilise l'ensemble complet des données de la Run-2 collectées par le détecteur ATLAS au LHC, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$ à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s}=13$ TeV (2015–2018).
• Simulation du Signal : Les échantillons de signal ont été générés à l'aide de MadGraph 5 couplé à Pythia 8. La simulation couvrait des masses de $\tilde{\chi}^0_1$ allant de 150 à 1450 GeV. Un modèle simplifié a été utilisé où les rapports d'embranchement du $\tilde{\chi}^0_1$ vers $\gamma\tilde{G}$, $Z\tilde{G}$ et $h\tilde{G}$ étaient initialement fixés égaux, permettant un recalibrage pour tester divers scénarios de mélange. Les sections efficaces ont été calculées avec une précision NLO+NLL en utilisant Resummino.
• Simulation du Fond : Les fonds du MS ($Z(\to\nu\nu)\gamma$, $W\gamma$, $t\bar{t}\gamma$, $\gamma$+jets, etc.) ont été simulés à l'aide de Sherpa, MadGraph5_aMC@NLO et Powheg.

Reconstruction et Sélection des Événements

• Définition des Objets :
  • Photons : Requis avec $p_T > 50$ GeV (hors ligne) et satisfaisant des critères d'identification et d'isolation "stricts".
  • Jets : Reconstruits avec l'algorithme anti-$k_t$ ($R=0.4$).
  • $E^{\text{miss}}_T$ : Calculée à l'aide d'un algorithme basé sur les objets incluant un terme doux.
• Déclenchement : Les événements ont été sélectionnés à l'aide d'un déclenchement à photon unique avec une exigence hors ligne de $p_T > 145$ GeV.
• Régions de Signal (SR) : Trois régions de découverte ont été définies en fonction de l'hypothèse de masse du $\tilde{\chi}^0_1$ (Faible, Moyenne, Élevée), distinguées principalement par des seuils de $E^{\text{miss}}_T$ :
  • SRL : $E^{\text{miss}}_T > 200$ GeV.
  • SRM : $E^{\text{miss}}_T > 300$ GeV.
  • SRH : $E^{\text{miss}}_T > 400$ GeV.
  • Des régions orthogonales supplémentaires (SRLe, SRMe) ont été définies avec des exigences de signification de $E^{\text{miss}}_T$ plus strictes pour optimiser les limites d'exclusion.
• Discriminants : Pour supprimer les fonds, l'analyse a utilisé le rapport $E^{\text{miss}}_T / m_{\text{eff}}$ (où $m_{\text{eff}}$ est la somme scalaire de $E^{\text{miss}}_T$, du $p_T$ du photon principal et du $p_T$ des jets) et les séparations angulaires $\Delta\phi(\gamma, E^{\text{miss}}_T)$ et $\Delta\phi(\text{jet}, E^{\text{miss}}_T)$.

Estimation du Fond

• Fonds Dominants : $Z(\to\nu\nu)\gamma$, $W\gamma$ et $t\bar{t}\gamma$.
• Régions de Contrôle (CR) : Des CR dédiés ont été utilisés pour normaliser les fonds dominants à l'aide des données :
  • CRZ : Désintégrations leptoniques de $Z$ ($Z \to ee/\mu\mu$) avec un photon, utilisées pour normaliser $Z(\to\nu\nu)\gamma$.
  • CRW : Un lepton + un photon + veto sur les jets $b$ pour $W\gamma$.
  • CRT : Lepton + photon + $\ge 2$ jets $b$ pour $t\bar{t}\gamma$.
• Photons Fictifs : Les fonds provenant de jets ou d'électrons mal identifiés comme des photons ont été estimés à l'aide de techniques basées sur les données (méthode ABCD dans les plans d'isolation/identification) et de facteurs de faux dérivés d'échantillons $Z \to ee$.
• Analyse Statistique : Un ajustement de vraisemblance profilée simultané a été effectué à travers les CR, les Régions de Validation (VR) et les SR pour contraindre les normalisations des fonds et fixer des limites.

3. Contributions Clés

1. Stratégie de Recherche Inclusive : Contrairement aux recherches ATLAS précédentes qui se concentraient sur des signatures diphotons exclusives ou des désintégrations de Higgs spécifiques, cette analyse emploie une sélection plus inclusive ciblant au moins un photon plus des jets et $E^{\text{miss}}_T$. Cela élargit considérablement la sensibilité à divers scénarios GGM.
2. Balayage des Rapports d'Embranchement : Une innovation majeure est l'interprétation des résultats en fonction des rapports d'embranchement du $\tilde{\chi}^0_1$. Au lieu de supposer des rapports fixes, l'analyse explore l'espace des paramètres de $B(\tilde{\chi}^0_1 \to \gamma\tilde{G})$, $B(\tilde{\chi}^0_1 \to Z\tilde{G})$ et $B(\tilde{\chi}^0_1 \to h\tilde{G})$.
3. Portée de Masse Étendue : L'analyse étend la portée d'exclusion pour les masses d'électroweakinos jusqu'à 1,2 TeV, dépassant les recherches ATLAS précédentes sur les électroweakinos.
4. Modèles de Référence : Les résultats sont interprétés dans deux scénarios de référence spécifiques :
   • $\gamma + Z$ : 50 % $\gamma\tilde{G}$ et 50 % $Z\tilde{G}$.
   • $\gamma + h$ : 50 % $\gamma\tilde{G}$ et 50 % $h\tilde{G}$.

4. Résultats

• Observation : Aucun excès significatif d'événements n'a été observé dans aucune région de signal. Les rendements d'événements observés étaient cohérents avec les prédictions du Modèle Standard (par exemple, dans SRH, 8 événements observés contre 14,6 attendus).
• Limites Indépendantes du Modèle : Des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % (CL) ont été fixées sur la section efficace visible ($\langle A\epsilon\sigma \rangle_{95}^{\text{obs}}$) pour les processus de nouvelle physique.
• Exclusions Dépendantes du Modèle :
  • Dans le modèle de référence $\gamma + Z$, des masses de neutralino allant jusqu'à ~1,2 TeV sont exclues pour des rapports d'embranchement purs en photons.
  • Dans le modèle de référence $\gamma + h$, des limites d'exclusion similaires sont atteintes.
  • Dépendance du Rapport d'Embranchement : La limite d'exclusion sur la masse du $\tilde{\chi}^0_1$ diminue à mesure que le rapport d'embranchement vers les photons diminue. Pour $B(\tilde{\chi}^0_1 \to \gamma\tilde{G}) = 10\%$, la limite d'exclusion chute à environ 450 GeV.
  • Limites 2D : L'article fournit des contours d'exclusion dans le plan des rapports d'embranchement ($B(\gamma\tilde{G})$ vs $B(Z\tilde{G})$ ou $B(h\tilde{G})$) pour des masses fixes, montrant que la sensibilité est maximale lorsque le rapport d'embranchement en photons est dominant.

5. Signification

Cet article représente une mise à jour complète de la recherche d'électroweakinos dans le cadre GGM utilisant l'ensemble complet des données de la Run-2.

• Sensibilité : Il atteint les limites les plus strictes à ce jour pour la production d'électroweakinos dans le canal photon+jet+$E^{\text{miss}}_T$, sondant des masses jusqu'à 1,2 TeV.
• Robustesse : En balayant les rapports d'embranchement, l'analyse fournit des contraintes robustes sur un large éventail d'espaces de paramètres SUSY, plutôt que d'être limitée à des hypothèses théoriques spécifiques sur la composition du neutralino.
• Complémentarité : Les résultats complètent les recherches de production forte (gluinos/squarks) et d'autres modes de désintégration d'électroweakinos (par exemple, trileptons), offrant une image complète du paysage de recherche SUSY au LHC.
• Perspectives Futures : L'absence de signal impose de fortes contraintes sur les échelles de brisure de SUSY à basse énergie et la nature du NLSP, guidant les modèles théoriques futurs et la conception des recherches de la Run-3 et du LHC à haute luminosité.