Searches for strong production of supersymmetric particles with the ATLAS detector

Cet article présente les derniers résultats d'ATLAS issus des collisions du LHC à 13 et 13,6 TeV concernant les recherches de la production forte de particules supersymétriques, ciblant spécifiquement les gluinos et les squarks (y compris les stops) à travers divers modes de désintégration afin d'aborder la question de la naturalité et d'explorer des scénarios au-delà du minimal.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une immense piste de course à grande vitesse appelée le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). À l'intérieur de cette piste, des scientifiques font s'entrechoquer de minuscules particules à des vitesses proches de celle de la lumière pour voir ce qu'il se passe. Le détecteur ATLAS est comme un appareil photo ultra-rapide et massif essayant de capturer chaque détail de ces collisions.

Le document que vous lisez est un rapport d'une équipe de scientifiques (la Collaboration ATLAS) qui recherche des « fantômes » dans la machine. Ces fantômes sont des particules théoriques appelées particules supersymétriques (ou « sparticles »).

L'idée principale : Le monde de l'ombre

Selon notre meilleure carte actuelle de l'univers (le Modèle Standard), chaque particule connue possède un « jumeau de l'ombre » que nous n'avons pas encore trouvé.

• Si vous avez un quark lourd (un bloc de construction de la matière), son jumeau de l'ombre est un squark.
• Si vous avez un gluon (la colle qui maintient les atomes ensemble), son jumeau de l'ombre est un gluino.

Les scientifiques pensent que ces jumeaux de l'ombre pourraient résoudre de grands mystères, comme pourquoi l'univers possède de la « matière noire » (la substance invisible qui maintient les galaxies ensemble). La théorie suggère que si ces jumeaux existent, le plus léger d'entre eux est stable et pourrait être la matière noire que nous recherchons.

La traque : Quatre recherches différentes

Le document décrit quatre « traques » spécifiques sur lesquelles les scientifiques se sont lancés, en utilisant des données issues de collisions à deux niveaux d'énergie différents (comme conduire sur la piste de course à 13 ou 13,6 sur le tachymètre). Ils cherchaient des combinaisons spécifiques de particules qui apparaîtraient si ces jumeaux de l'ombre étaient créés puis se désintégraient immédiatement.

Voici un résumé simple des quatre recherches :

1. La traque du « Top lourd » (Recherche 1)

• La cible : Ils ont cherché des paires de « stop squarks » (le jumeau de l'ombre du quark top, la particule la plus lourde connue).
• Le scénario : Imaginez deux boîtes lourdes (stop squarks) qui s'entrechoquent et se brisent. À l'intérieur, ils s'attendent à trouver une paire de quarks top et deux « fantômes » invisibles (les candidats à la matière noire).
• L'astuce : Ils ont observé deux manières différentes dont les boîtes peuvent se briser :
  • La manière « résolue » : Les morceaux s'écartent assez lentement pour être vus clairement comme des jets d'énergie distincts.
  • La manière « boostée » : Les morceaux s'écartent si vite qu'ils s'écrasent ensemble en un seul énorme bloc d'énergie.
• Le résultat : Ils n'ont pas trouvé les boîtes. Ils ont établi une règle : « Si ces stop squarks existent, ils doivent être plus lourds que 1 230 GeV. » (Considérez cela comme dire : « Si le fantôme existe, il doit être plus lourd qu'une baleine bleue. »)

2. La traque du « Changement de charme » (Recherche 2)

• La cible : Ils ont cherché des stop squarks qui pourraient se transformer en « quarks charme » (un cousin plus léger du quark top) au lieu de quarks top. C'est un peu comme chercher un changeur de forme.
• Le Scénario : Ils ont cherché une signature spécifique : un jet lourd (provenant d'un quark top) et un jet charme, sans électrons ni muons visibles, juste de l'énergie manquante.
• Le Résultat : Aucun changeur de forme trouvé. Ils ont écarté les stop squarks jusqu'à 800 GeV dans la plupart des cas, et jusqu'à 600 GeV si les particules sont très proches en poids (un scénario « compressé »).

3. La traque du « Double Charme » (Recherche 3)

• La cible : Ils ont cherché des paires de stop squarks ou de charm squarks qui se transforment tous deux en quarks charme.
• Le Scénario : C'est comme chercher une paire de jumeaux qui se transforment tous deux en le même frère plus léger. Ils ont cherché deux jets de charme et de l'énergie manquante.
• Le Résultat : Toujours pas de fantômes. Ils ont repoussé la limite encore plus loin, affirmant que ces particules doivent être plus lourdes qu'environ 900 GeV si elles existent.

4. La traque du « Gluino et Squark » (Recherche 4)

• La cible : C'était le plus grand filet, cherchant des gluinos (les ombres de la colle) et d'autres squarks qui se désintègrent en « leptons tau » (des cousins lourds des électrons).
• La Stratégie : Ils ont utilisé deux outils de détective différents :
  • Cut-and-Count (Couper et Compter) : Une méthode traditionnelle consistant à établir des règles strictes (ex : « Ne compter que les événements avec une énergie supérieure à X »).
  • Apprentissage automatique (Machine Learning) : Un cerveau d'IA entraîné à repérer des motifs subtils que les humains pourraient manquer, triant les événements entre « signal » et « bruit de fond ».
• Le Résultat : L'IA et la méthode traditionnelle étaient d'accord : aucun gluino ou squark trouvé. Ils ont établi les limites les plus strictes, affirmant que les gluinos doivent être plus lourds que 2,25 TeV (plus de 2 000 fois la masse d'un proton) et les squarks plus lourds que 1,7 TeV.

L'essentiel

Ce document est essentiellement une affiche « Recherché » qui dit : « Nous avons cherché partout, nous avons utilisé nos meilleures caméras et notre IA la plus intelligente, mais nous n'avons trouvé aucun de ces particules supersymétriques. »

Parce qu'ils n'ont rien trouvé, ils n'ont pas découvert de nouvelle physique lors de cet essai spécifique. Au lieu de cela, ils ont tracé une ligne dans le sable. Ils ont dit aux physiciens théoriciens : « Si ces particules existent, elles sont plus lourdes que ce que nous pensions. Vous devez mettre à jour vos cartes pour chercher des fantômes plus lourds. »

En bref : la traque continue, mais les « fantômes faciles » (les plus légers) ont été écartés.

Résumé technique

Résumé technique : Recherches de la production forte de particules supersymétriques avec le détecteur ATLAS

Problématique et motivation
Malgré la précision du Modèle Standard (MS), des problèmes non résolus tels que le problème de la hiérarchie, l'absence d'unification des interactions fondamentales et l'absence d'un candidat à la matière noire persistent. La supersymétrie (SUSY) offre un cadre théorique répondant à ces questions en postulant un partenaire super-symétrique pour chaque particule du MS. Dans le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), la conservation de la R-parité assure la stabilité de la Particule Supersymétrique la plus Légère (LSP), typiquement le neutralino le plus léger ($\tilde{\chi}^0_1$), ce qui en fait un candidat viable pour la matière noire.

Les arguments de naturalité suggèrent que les partenaires supersymétriques des gluons (gluinos, $\tilde{g}$) et des quarks de troisième génération (squarks, spécifiquement le stop $\tilde{t}_1$) devraient être suffisamment légers pour être produits au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Alors que les scénarios classiques du MSSM font face à des limites de masse de plus en plus strictes, les variations impliquant un contenu de particules non minimal et des structures de saveur restent d'un intérêt significatif. Ce document présente une compilation des recherches récentes menées par la Collaboration ATLAS ciblant la production forte de ces particules.

Méthodologie et ensembles de données
Les analyses utilisent des données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS à des énergies de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV (Run 2, 2015–2018, $\sim$139–140 fb$^{-1}$) et $\sqrt{s} = 13,6$ TeV (partie du Run 3, 2022–2023, 51,8 fb$^{-1}$). Les recherches se concentrent sur des états finaux caractérisés par des jets, des leptons (incluant les taus se désintégrant de manière hadronique) et une énergie transverse manquante ($E^{\text{miss}}_T$) significative, signalant la présence de LSP stables.

Quatre stratégies de recherche distinctes sont détaillées :

1. Production de paires de stops ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to t\bar{t}\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$) :

   • Modes de désintégration : Couvre à la fois les désintégrations à deux corps (grand écart de masse, $\Delta m > m_t$) et à trois corps (écart de masse intermédiaire, $m_W < \Delta m < m_t$).
   • État final : Un lepton isolé, des jets et $E^{\text{miss}}_T$.
   • Stratégie : Les événements sont catégorisés en régions « résolues » (tops à faible $p_T$, $E^{\text{miss}}_T > 230$ GeV) et « boostées » (tops à haut $p_T$, jets de grand rayon R). Des régions de signal (SR) sont définies par la multiplicité de b-jets et le marquage de top (top-tagging). Un réseau de neurones (NN) est employé pour améliorer la discrimination signal/fond. Les fonds ($t\bar{t}$, top simple, $W$+jets) sont estimés à l'aide de régions de contrôle (CR) et de variables cinématiques telles que la masse transverse ($m_T$) et la charge du lepton.

2. Production de paires de stops avec violation de saveur ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to tc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$) :

   • Modèle : Étudie la violation de saveur non minimale (MFV) où le $\tilde{t}_1$ se désintègre également en $t\tilde{\chi}^0_1$ ou $c\tilde{\chi}^0_1$.
   • État final : Un jet marqué b, un jet marqué c, aucun lepton, et un grand $E^{\text{miss}}_T$.
   • Stratégie : Utilise un algorithme de marquage c spécialisé (basé sur DL1r) pour identifier les jets de charme. L'espace des phases est divisé en régions « bulk », « intermédiaire » (boostée/résolue) et « compressée ». Dans les scénarios compressés, les jets de rayonnement de l'état initial (ISR) et l'entraînement du NN sont utilisés pour augmenter la sensibilité.

3. Production de stops et de charm-squarks ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1, \tilde{c}_1\tilde{c}_1 \to cc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$) :

   • Modèle : Cible la violation de saveur minimale où les charm-squarks ($\tilde{c}_1$) peuvent être plus légers que les autres squarks.
   • État final : Deux jets marqués c, aucun lepton, et $E^{\text{miss}}_T$.
   • Stratégie : Étudie les régions de haute masse ($m \gtrsim 600$ GeV) et les régions compressées ($\Delta m < 175$ GeV). La région compressée repose sur des jets ISR de haute impulsion et la reconstruction de type « recursive jigsaw » (RJR), tandis que le jet principal est requis pour ne pas être marqué c afin de supprimer le fond.

4. Production de paires de gluinos et de squarks ($\tilde{g}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{q}$) :

   • Modes de désintégration : Implique des désintégrations en $\tau$-sleptons ($\tilde{\tau}$) et $\tau$-sneutrinos ($\tilde{\nu}_\tau$).
   • États finaux : Trois canaux basés sur le contenu en $\tau$ et en leptons : 1$\tau$0lep, 1$\tau$1lep, et 2$\tau$.
   • Stratégie : Deux approches sont comparées : une méthode traditionnelle de « cut-and-count » utilisant des variables $E^{\text{miss}}_T$ et une approche d'apprentissage automatique utilisant des arbres de décision boostés (BDT) pour la classification multiclasse contre les fonds ($W/Z$+jets, diboson, top, faux-$\tau$).

Résultats clés
Aucun excès significatif d'événements par rapport au fond attendu du MS n'a été observé dans les canaux analysés. Par conséquent, des limites d'exclusion à un niveau de confiance (CL) de 95 % ont été établies :

• Paires de stops ($t\bar{t} + E^{\text{miss}}_T$) : L'analyse à un seul lepton améliore la sensibilité dans les régions de faible écart de masse. Combinée aux résultats à zéro lepton, les masses de top-squark sont exclues jusqu'à 1230 GeV (pour un $\tilde{\chi}^0_1$ sans masse) et les masses de neutralino jusqu'à 570 GeV.
• Paires de stops avec violation de saveur ($tc + E^{\text{miss}}_T$) : Les masses de top-squark sont exclues jusqu'à 800 GeV (neutralino sans masse) et 600 GeV dans le scénario compressé. Ce résultat est également réinterprété pour exclure de nouveaux médiateurs couplant la matière noire aux quarks du MS jusqu'à 1,2 TeV.
• Paires de stop/charm-squark ($cc + E^{\text{miss}}_T$) : Les masses de top/charm-squark sont exclues jusqu'à environ 900 GeV (neutralino sans masse), ce qui représente une amélioration d'environ 100 GeV par rapport aux limites précédentes d'ATLAS.
• Paires de gluinos et de squarks :
  • Les masses de gluinos sont exclues jusqu'à 2,25 TeV (avec des neutralinos jusqu'à 1,35 TeV pour $m_{\tilde{g}} \approx 2$ TeV).
  • Les masses de squarks sont exclues jusqu'à 1,7 TeV (avec des neutralinos jusqu'à 0,85 TeV).
  • L'approche par apprentissage automatique démontre une sensibilité supérieure pour les masses de gluinos/squarks plus élevées et les masses de neutralinos plus grandes, tandis que la méthode « cut-and-count » est plus performante dans la région de l'espace des phases compressée en raison de rendements d'événements plus élevés et de sélections dédiées.

Signification et affirmations
Le document affirme présenter les derniers résultats de l'expérience ATLAS, étendant la recherche de particules supersymétriques produites fortement vers de nouveaux modes de désintégration et de nouveaux régimes cinématiques. La signification réside dans :

1. Élargissement du champ de recherche : Aller au-delà des scénarios classiques du MSSM pour inclure la violation de saveur non minimale et les spectres compressés.
2. Avancement technologique : La mise en œuvre et l'optimisation réussies des algorithmes de marquage c et l'application de l'apprentissage automatique (NN et BDT) pour améliorer la discrimination signal-fond dans des états finaux complexes.
3. Contraintes mises à jour : Fournir les limites d'exclusion les plus strictes à ce jour pour des scénarios SUSY spécifiques, particulièrement dans les régions de masse compressées et pour les désintégrations à violation de saveur, réduisant ainsi l'espace des paramètres pour les modèles supersymétriques viables.

Les auteurs concluent que bien qu'aucune preuve de la SUSY n'ait été trouvée, ces résultats affinent considérablement les frontières expérimentales pour la production forte de gluinos, de stops et de charm-squarks au LHC.