Search for heavy long-lived charged particles with level-1 trigger scouting data from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

Cet article présente la première recherche de particules chargées lourdes à longue durée de vie utilisant des données de détection de niveau 1 inédites issues des collisions proton-proton du CMS de 2024 à $\sqrt{s}$ = 13,6 TeV, établissant des limites supérieures sur les sections efficaces de production et démontrant un concept de preuve pour étendre la sensibilité à des valeurs de $\beta$ plus faibles grâce à l'analyse de particules interagissant sur plusieurs croisements de paquets.

L'essentiel

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) comme une gare ferroviaire massive et ultra-rapide où des protons (des particules minuscules) sont projetés les uns contre les autres des milliards de fois par seconde. Habituellement, le système de sécurité de la gare (le « déclencheur ») est si occupé qu'il ne laisse passer qu'une infime fraction des passagers à travers le portique pour être enregistrés. Il est programmé pour repérer des « VIP » spécifiques et rapides (des particules qui traversent la gare en un éclair).

Cependant, les scientifiques soupçonnent qu'il pourrait y avoir des « promeneurs lents » dans la foule — des particules massives et lourdes qui se déplacent si lentement qu'elles prennent leur temps pour traverser la gare. Parce qu'elles sont lentes, le système de sécurité standard les manque souvent, les considérant comme du simple bruit ou les ignorant car elles ne correspondent pas au profil du « VIP rapide ».

Ce document porte sur une nouvelle expérience menée par la collaboration CMS qui a décidé d'essayer une approche différente : le Scouting de données.

La stratégie du « Scout »

Au lieu d'attendre que le système de sécurité décide quels passagers laisser entrer, l'équipe a utilisé un système de « scout ». Ce scout enregistre un résumé minuscule et compressé de chaque personne passant par le portique, quelle que soit sa vitesse de marche. C'est comme avoir un agent de sécurité qui prend une photo rapide des chaussures et de la vitesse de chacun, même s'ils ne font que flâner, sans s'arrêter pour demander un billet.

Parce qu'ils ont enregistré tout (ou presque tout, en raison des limites de stockage), ils ont pu rechercher les « promeneurs lents » que le système habituel aurait ignorés.

Le mystère des particules « lourdes et à longue durée de vie »

Les scientifiques chassaient des Particules Lourdes, Stables et Chargées (HSCP). Imaginez-les comme des fantômes extrêmement lourds et se déplaçant lentement.

• Lourdes : Elles sont beaucoup plus lourdes que les particules ordinaires.
• Lentes : Parce qu'elles sont lourdes, elles se déplacent avec lourdeur (comme une boule de bowling roulant dans un couloir par rapport à une balle de fusil).
• À longue durée de vie : Elles ne disparaissent pas rapidement ; elles restent assez longtemps pour traverser tout le détecteur.

Par le passé, si ces particules étaient trop lentes, elles mettaient tellement de temps à traverser le détecteur qu'elles arrivaient dans des « créneaux temporels » différents (appelés croisements de paquets) de la collision qui les avait créées. L'ancien système de sécurité exigeait que le début et la fin du parcours d'une particule se produisent dans le même créneau temporel exact. Si la particule était trop lente, le système rompait le lien et jetait les données.

Comment ils ont attrapé les promeneurs lents

En utilisant les données du « scout », l'équipe a pu reconstituer le parcours de la particule même si elle mettait plusieurs créneaux temporels pour traverser le détecteur.

• L'analogie : Imaginez un coureur dans une course de relais. Dans l'ancien système, si le coureur mettait trop de temps à passer le témoin, les officiels de la course supposaient que le coureur n'avait pas terminé. Dans ce nouveau système, les officiels ont suivi le coureur du début à la fin, même si le coureur faisait une sieste entre les relais. Ils ont pu voir que le coureur avait franchi la ligne d'arrivée, même si c'était dans un « tour » différent de celui du départ.

Ce qu'ils ont trouvé

L'équipe a analysé des données de 2024, à la recherche de ces particules lourdes et lentes.

• Le résultat : Ils n'ont trouvé aucun « promeneur lent ». Aucune nouvelle particule lourde n'a été découverte.
• La conclusion : Puisqu'ils ne les ont pas trouvées, ils ont établi une « limite de vitesse » pour l'endroit où ces particules pourraient exister. Ils ont essentiellement déclaré : « Si ces particules lourdes existent, elles doivent être plus rares que nous ne le pensions, ou elles doivent se déplacer encore plus lentement que ce que notre recherche actuelle peut capturer. »

Pourquoi cela compte

Même s'ils n'ont pas trouvé les particules, l'expérience a été un immense succès pour une autre raison : la preuve de concept.

• Elle a prouvé que le système de « scout » fonctionne. Elle a montré que les scientifiques peuvent désormais rechercher des particules se déplaçant à des vitesses où les recherches précédées étaient aveugles (spécifiquement, des particules se déplaçant à 15 % à 50 % de la vitesse de la lumière).
• Elle a ouvert une nouvelle porte. Avant cela, si une particule était trop lente, elle était invisible pour les détecteurs. Maintenant, la porte est ouverte pour rechercher ces particules lourdes « lentes » à l'avenir.

Résumé

Ce document est un bulletin de notes sur une nouvelle façon d'observer l'univers. L'équipe CMS a essayé une nouvelle technique pour trouver des particules lourdes et lentes que les recherches précédentes avaient manquées. Ils n'ont pas trouvé les particules, mais ils ont prouvé que la nouvelle technique fonctionne et ont exclu avec succès certaines possibilités quant à l'endroit où ces particules pourraient se cacher. C'est comme inspecter une pièce sombre avec un nouveau type de lampe de poche ; vous n'avez pas trouvé de monstre, mais vous avez prouvé que la lampe de poche fonctionne et que la pièce est définitivement vide de monstres à cet endroit précis.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche de particules chargées lourdes et à longue durée de vie avec des données de dépannage du déclenchement de niveau 1

Problème et motivation
Les particules chargées stables lourdes (HSCP) sont prédites par divers scénarios au-delà du modèle standard (BSM), notamment la supersymétrie et les dimensions supplémentaires. Si ces particules sont produites lors de collisions proton-proton au LHC, elles traverseraient le détecteur avec une perte d'énergie par ionisation élevée et un temps de vol anormalement long en raison de leur grande masse et de leur faible vitesse ($\beta = v/c$).

Les recherches précédentes menées par la collaboration CMS et d'autres expériences ont principalement reposé sur des stratégies de déclenchement standard, telles que les déclencheurs basés sur les muons exigeant que les traces reconstruites dans le trajectographe et le système de muons s'alignent au sein d'une seule croisée de paquets (BX). Cette approche limite la sensibilité aux HSCP avec $\beta \gtrsim 0.6$, qui peuvent traverser le détecteur en une seule BX. Les particules très lentes ($\beta \lesssim 0.6$) nécessitent souvent plusieurs BX pour traverser le détecteur de muons, ce qui les fait échouer aux conditions de déclenchement standard. Bien que des déclencheurs basés sur l'impulsion transverse manquante existent, ils souffrent d'une efficacité faible et dépendante du modèle. Par conséquent, les recherches précédentes au LHC ont été limitées à des masses HSCP d'environ 3 TeV et ont eu du mal à sonder le régime de faible $\beta$.

Méthodologie
Cette analyse présente la première recherche de HSCP utilisant le nouveau système de dépannage des données du déclenchement de niveau 1 (L1DS) du CMS. Contrairement à la prise de données traditionnelle, qui enregistre les données complètes d'un événement uniquement lorsqu'une condition de déclenchement spécifique est remplie, le système L1DS acquiert des données directement à partir du déclenchement de niveau 1 (L1) à la fréquence complète de croisée de paquets de 40 MHz (espacement de 25 ns) sans aucune présélection.

• Échantillon de données : La recherche utilise des données de collisions proton-proton collectées en 2024 à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13,6$ TeV. L'ensemble de données correspond à une luminosité intégrée de 3,7 fb$^{-1}$, collectée avec un facteur de présélection de $N=15$ (un tour stocké tous les 15 tours).
• Stratégie de reconstruction : L'analyse reconstruit les HSCP comme des traces de type muon en utilisant des « bouchons » (combinaisons de coups dans les chambres à tubes dérivés et les chambres à plaques résistives) stockés dans la sortie L1DS. Une version modifiée hors ligne de l'algorithme de recherche de traces de muons du barillet (kBMTF) est employée. Crucialement, cet algorithme ajuste des bouchons séparés par jusqu'à huit BX, permettant la reconstruction de particules qui traversent les couches du détecteur de muons sur plusieurs BX.
• Modèles de signal : Les résultats sont interprétés à l'aide de trois modèles de référence :
  1. Production par paires non résonante de fermions de quatrième génération ($\tau'$) via des processus Drell-Yan.
  2. Production résonante de paires $\tau'$ via un boson $Z'$ lourd.
  3. Production par paires de gluinos à longue durée de vie ($\tilde{g}$) formant des R-hadrons (spécifiquement des R-gluinoballs), où le R-hadron est neutre dans le trajectographe mais peut acquérir une charge dans le détecteur de muons.
• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés sur la base de traces comportant 3 ou 4 bouchons s'étendant sur un minimum de 2 et un maximum de 4 BX. La sélection exige $|\eta| < 0,83$ et $p_T > 15$ GeV. Pour améliorer la sensibilité à des plages de $\beta$ spécifiques, 14 catégories distinctes sont définies en fonction du nombre de BX parcourus et de la configuration spécifique des couches des bouchons (par exemple, BX123, BX1112).
• Estimation du fond : Les fonds, provenant principalement de particules ultra-relativistes avec une mauvaise identification de BX ou de combinaisons asynchrones de coups non liés, sont estimés directement à partir des données. La méthode utilise des ordonnancements de traces « asynchrones » (où l'ordre temporel des bouchons est non physique pour une particule sortant du point de collision du faisceau) pour modéliser la distribution en $p_T$ du fond dans la région de signal. Deux régions de validation orthogonales (faible qualité de trace et paquets non collisionnels) confirment la modélisation du fond.

Contributions clés

• Preuve de concept pour le L1DS : Ce travail constitue la première analyse physique reposant sur le système L1DS, démontrant sa capacité à collecter et analyser des données sans biais de déclenchement.
• Sensibilité étendue au $\beta$ : En reconstruisant des traces sur plusieurs BX, l'analyse étend la sensibilité aux HSCP avec des valeurs de $\beta$ comprises entre 0,15 et 0,80. Cela comble une lacune critique laissée par les recherches précédentes qui étaient aveugles aux particules avec $\beta \lesssim 0,6$.
• Transition neutre-à-chargé : La recherche est sensible aux R-hadrons neutres qui deviennent chargés uniquement lors de l'interaction avec la matière dans le détecteur de muons, une signature inaccessible aux recherches de perte d'énergie par ionisation basées sur le trajectographe.
• Portée en masse élevée : L'analyse sonde des masses HSCP jusqu'à 6,5 TeV, une plage où les déclencheurs standards sont inefficaces en raison du faible $\beta$ des particules lourdes.

Résultats
Aucun excès significatif d'événements n'a été observé au-dessus des attentes du fond du modèle standard dans l'une quelconque des 14 catégories de recherche.

• Limites de section efficace : Des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % (CL) ont été fixées sur les sections efficaces de production pour les modèles de référence.
  • Pour la production non résonante de $\tau'$, des limites sont fixées pour des masses comprises entre 1 et 6,5 TeV.
  • Pour les R-hadrons de gluinos avec $f=1$ (totalement neutres à la production), des limites sont fixées jusqu'à 6,5 TeV.
  • Pour la production résonante $Z' \to \tau'\tau'$, des limites bidimensionnelles sont fournies en fonction de $m_{\tau'}$ et $m_{Z'}$.
• Limites fiducielles : Des limites supérieures indépendantes du modèle ont été fixées sur la section efficace fiduciale pour une particule lourde avec $p_T > 500$ GeV, $|\eta| < 0,83$ et des plages de $\beta$ spécifiques. La limite la plus stricte est de 3,5 fb pour des particules avec $0,1875 < \beta < 0,2125$.
• Caractéristiques de sensibilité : La sensibilité est pilotée par les catégories à 4 bouchons, en particulier la catégorie BX123 (4 bouchons sur 3 BX). La sensibilité se dégrade autour de $\beta \approx 0,5$ (où les particules traversent souvent le détecteur entièrement dans le BX suivant la collision, imitant des traces ultra-relativistes) et pour $\beta \lesssim 0,15$ (où les particules sont arrêtées dans le détecteur).

Signification
L'article affirme que cette analyse constitue une preuve de concept cruciale pour le système L1DS, validant son potentiel physique. La signification principale réside dans l'extension de la sensibilité des recherches de HSCP vers des valeurs de $\beta$ plus faibles et des masses plus élevées (jusqu'à 6,5 TeV) que ce qui était précédemment possible avec des stratégies de déclenchement standard. Alors que les analyses précédentes du CMS basées sur la perte d'énergie par ionisation fournissaient des limites plus serrées à des masses plus faibles ($m < 2,6$ TeV) en raison de jeux de données plus importants et d'une meilleure acceptation, elles manquaient de sensibilité au régime de haute masse et de faible $\beta$ où l'efficacité du déclenchement de niveau haut (HLT) tombe à zéro. Cette analyse complète les recherches existantes en ciblant la signature unique des particules lentes s'étendant sur plusieurs croisées de paquets et des particules neutres acquérant une charge dans le système de muons.