Search for massive, long-lived particles in events with displaced vertices and displaced muons in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13.6$ TeV with the ATLAS experiment

Cette étude présente une recherche de particules massives et à longue durée de vie dans les collisions proton-proton à 13,6 TeV avec le détecteur ATLAS, utilisant un échantillon de données de 164 fb⁻¹ pour identifier des événements comportant des vertex décalés et des muons décalés, sans observer d'excès significatif par rapport au bruit de fond attendu.

L'essentiel

🕵️‍♂️ La Chasse aux Particules "Fainéantes" et "Fuyardes"

Imaginez que le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN est une immense piste de course où l'on fait entrer en collision deux trains de protons à une vitesse folle. Normalement, quand ces trains entrent en collision, ils explosent instantanément en une pluie de débris (des particules) qui s'arrêtent presque tout de suite. C'est la physique "classique" que nous connaissons bien.

Mais les physiciens soupçonnent qu'il existe des particules "spéciales", des particules à longue durée de vie (LLP). Imaginez ces particules comme des fuyards ou des fainéants : au lieu de s'arrêter immédiatement après l'explosion, elles prennent le temps de faire un petit tour dans le détecteur avant de se désintégrer. Elles voyagent quelques millimètres, voire quelques mètres, avant de "craquer" et de se transformer en d'autres choses.

🎯 Le But de l'Expérience ATLAS

L'expérience ATLAS (qui est comme un appareil photo géant de 30 mètres de haut entourant la piste) a cherché ces fuyards entre 2022 et 2024. Ils ont analysé 164 milliards de collisions (c'est énorme !).

Ils cherchaient deux signes particuliers pour repérer ces fuyards :

1. Un "Vertex Déplacé" (DV) : C'est comme si l'explosion ne se produisait pas exactement au centre de la collision, mais un peu plus loin, dans le vide. C'est la preuve que la particule mère a voyagé avant d'exploser.
2. Un "Muon Déplacé" : Un muon est une particule lourde (comme un cousin du électron). Ici, ils cherchaient un muon qui arrive "en retard" ou qui ne vient pas du point de départ, comme un coureur qui aurait pris un raccourci étrange.

🛠️ Comment ils ont cherché ? (L'Analogie du Détective)

Pour trouver ces particules rares, les scientifiques ont dû être très malins pour éviter les "fausses pistes".

• Le problème du bruit : Dans une collision, il y a des milliards de particules qui partent dans tous les sens. C'est comme essayer d'entendre un chuchotement dans un stade rempli de fans hurlant. La plupart des "muons déplacés" sont en fait des faux signaux causés par des interactions normales ou des rayons cosmiques (des particules venant de l'espace).
• La solution "Data-Driven" (Basée sur les données) : Au lieu de faire des hypothèses théoriques sur ce que pourrait être le bruit de fond, les physiciens ont utilisé une méthode de détective. Ils ont divisé les données en plusieurs zones :
  • Zone A (La zone de recherche) : Là où ils cherchent le signal (vertex déplacé + muon déplacé).
  • Zones B, C, D (Les zones de contrôle) : Là où ils regardent ce qui se passe quand on enlève une condition (par exemple, juste le muon déplacé, ou juste le vertex).
  • En comparant ces zones, ils ont pu calculer mathématiquement combien de "bruit" (faux signaux) devrait se trouver dans la Zone A. C'est comme estimer le nombre de faux positifs en regardant combien de gens ont le même manteau mais pas le même visage.

📉 Les Résultats : Le Silence est la Réponse

Après avoir passé au crible toutes ces données, le verdict est tombé : Aucun signal suspect n'a été trouvé.

• Ils ont vu 3 événements dans la zone "loin" et 1 événement dans la zone "près".
• Mais le bruit de fond (les fausses pistes) prédisait exactement ce nombre (environ 1,8 et 2,9).
• Conclusion : Il n'y a pas eu d'excès. Les "fuyards" n'ont pas été vus.

🚫 Ce que cela signifie pour la Science

Même si on n'a rien trouvé, c'est une victoire importante !

1. On a éliminé des suspects : Les physiciens ont pu dire : "Si ces particules existent, elles ne peuvent pas être aussi lourdes ou avoir une durée de vie aussi longue que nous le pensions." Ils ont tracé une ligne rouge sur une carte : "Au-delà de cette masse ou de cette durée de vie, notre théorie est fausse."
2. On a repoussé les limites : Grâce aux nouveaux outils de l'expérience (comme des déclencheurs plus sensibles pour les muons lents), ils ont pu chercher des particules beaucoup plus légères et avec des durées de vie plus longues que jamais auparavant.
3. La quête continue : Le fait de ne pas trouver ces particules aide à affiner les théories. C'est comme chercher un trésor : si vous ne le trouvez pas à l'endroit où vous avez creusé, vous savez au moins que le trésor n'est pas là, et vous pouvez chercher ailleurs avec plus de précision.

🌟 En résumé

Cette expérience est comme une chasse au fantôme dans un stade bondé. Les scientifiques ont utilisé des caméras ultra-sensibles et une méthode mathématique astucieuse pour repérer des particules qui auraient dû laisser une trace étrange. Elles n'ont rien vu. Cela ne signifie pas que la physique au-delà du Modèle Standard n'existe pas, mais cela nous dit que si ces particules existent, elles sont plus insaisissables que prévu, et il faudra encore plus de créativité pour les attraper la prochaine fois !

Résumé technique

1. Problématique et Contexte Physique

Le Modèle Standard (SM) de la physique des particules, bien que très performant, laisse plusieurs questions fondamentales sans réponse, notamment la nature de la matière noire, l'asymétrie matière-antimatière et l'origine des masses des neutrinos. Ces lacunes motivent la recherche de physique au-delà du Modèle Standard (BSM).

De nombreuses extensions du SM prédisent l'existence de particules à durée de vie longue (LLP) qui parcourent des distances mesurables avant de se désintégrer. Ces désintégrations produisent des signatures distinctives, telles que des vertices déplacés (DV) (points de désintégration éloignés du point d'interaction primaire) et des muons déplacés (ayant un grand paramètre d'impact transverse, $d_0$).

L'objectif de cette étude est de rechercher ces LLP dans les collisions proton-proton ($pp$) à une énergie au centre de masse de 13,6 TeV, collectées par le détecteur ATLAS au LHC entre 2022 et 2024. L'analyse cible spécifiquement les événements contenant au moins un vertex déplacé massif et au moins un muon déplacé, sans exiger que le muon soit associé au vertex, permettant ainsi une interprétation modèle-indépendante.

2. Méthodologie et Analyse des Données

Échantillon de Données

• Données : 164 fb$^{-1}$ de données de collisions $pp$à$\sqrt{s} = 13,6$ TeV (Run 3 du LHC).
• Détecteur : ATLAS, avec une couverture solide quasi complète ($4\pi$).

Sélection des Événements

L'analyse repose sur la reconstruction de deux objets principaux :

1. Vertices Déplacés (DV) :
   • Reconstruits dans le détecteur interne (ID) avec une distance transverse $R_{xy} < 300$ mm et $|z| < 300$ mm.
   • Doivent avoir au moins 4 tracks associées ($n_{track} \ge 4$).
   • Masse invariante des tracks : $m_{DV} \ge 20$ GeV (pour les DV "lointains") ou $\ge 40$ GeV (pour les DV "proches").
   • Deux régions de signal sont définies selon la distance transverse du DV par rapport au vertex primaire (PV) :
     • SRfar : $d_T(PV, DV) \ge 4$ mm.
     • SRnear : $1 \text{ mm} < d_T(PV, DV) < 4$ mm.
2. Muons Déplacés :
   • Muons avec $p_T > 25$ GeV, $2 \text{ mm} < |d_0| < 300$ mm, et une signification de déplacement $|d_0|/\sigma_{d_0} > 150$.
   • Des critères stricts de veto sont appliqués pour rejeter les muons issus de désintégrations de saveur lourde, les rayons cosmiques et les fakes algorithmiques.
   • Déclenchement (Trigger) : Utilisation d'un nouveau trigger dédié aux muons déplacés introduit en Run 3, permettant d'atteindre des seuils de $p_T$ aussi bas que 20 GeV, améliorant ainsi la sensibilité aux masses plus faibles.

Estimation du Fond

Une méthode entièrement data-driven basée sur des facteurs de transfert (Transfer Factors - TF) est utilisée pour estimer les fonds de fond (muons de saveur lourde, rayons cosmiques, fakes).

• La méthode exploite l'indépendance supposée entre les variables rejetant les muons de fond et celles rejetant les DV de fond.
• Les régions de données sont divisées en zones A (signal), B, C et D (régions de contrôle) pour calculer les facteurs de transfert.
• Des validations rigoureuses sont effectuées dans des régions de validation pour s'assurer de la robustesse de l'estimation.

Modèles de Signal

L'analyse est interprétée dans le cadre de la Supersymétrie (SUSY) violant la parité R (RPV) :

• Higgsinos : Production de paires de higgsinos ($\tilde{\chi}^0_1 \tilde{\chi}^0_2$, etc.) se désintégrant via des couplages RPV ($\lambda'$ ou $\lambda''$).
  • Scénario $\lambda'_{211}$ (violation du nombre leptonique) : Désintégrations en muons et quarks.
  • Scénario $\lambda''_{323}$ (violation du nombre baryonique) : Désintégrations en quarks top, avec des muons issus de la désintégration semi-leptonique du top.
• Stop (Top Squark) : Production de paires de stops ($\tilde{t}\bar{\tilde{t}}$) se désintégrant directement en un muon et un quark bottom via $\lambda'_{233}$.

3. Résultats Principaux

• Observation : Aucun excès significatif n'a été observé par rapport au fond attendu.
  • SRfar : 3 événements observés (Fond prédit : $1,8 \pm 1,1$).
  • SRnear : 1 événement observé (Fond prédit : $2,9 \pm 0,8$).
• Limites sur la section efficace visible : Des limites supérieures à 95 % de niveau de confiance (CL) ont été établies sur la section efficace visible ($\langle \sigma A \epsilon \rangle$) pour les processus produisant un DV et un muon déplacé.
• Limites sur les modèles RPV :
  • Higgsinos ($\lambda'_{211}$) : Les masses sont exclues jusqu'à 1600 GeV pour une durée de vie propre de 0,1 ns. La portée en durée de vie est étendue jusqu'à 100 ns. Par rapport aux résultats du Run 1, les limites sur la section efficace sont améliorées d'environ deux ordres de grandeur.
  • Higgsinos ($\lambda''_{323}$) : Les masses sont exclues jusqu'à 1150 GeV pour $\tau = 0,1$ ns, avec une portée en durée de vie jusqu'à 100 ns.
  • Stops ($\lambda'_{233}$) : Les masses sont exclues jusqu'à 1850 GeV pour $\tau = 0,1$ ns. Pour les durées de vie entre 10 ps et 5 ns, les masses comprises entre 700 GeV et 1500 GeV sont exclues.

4. Contributions Clés et Significativité

1. Amélioration des Techniques de Déclenchement : L'utilisation du nouveau trigger "displaced-muon" de Run 3 permet de détecter des muons de plus faible impulsion transverse ($p_T \approx 20$ GeV), élargissant considérablement la sensibilité aux modèles de LLP de masse plus faible, inaccessible aux triggers du Run 2.
2. Reconstruction Avancée : L'application d'algorithmes de reconstruction de tracks à grand paramètre d'impact et de vertices déplacés optimisés pour le Run 3 améliore l'efficacité de reconstruction sur une large gamme de durées de vie.
3. Couverture Complète des Durées de Vie : L'analyse combine des régions "proches" et "lointaines", offrant une couverture unique pour les durées de vie allant de quelques picosecondes à 100 nanosecondes.
4. Comparaison avec les Résultats Antérieurs :
   • Pour les higgsinos avec violation du nombre leptonique, cette analyse repousse les limites de masse et de durée de vie bien au-delà des résultats du Run 1 et du Run 2, tout en réduisant les hypothèses sur le mécanisme de production.
   • Pour les stops, les limites sont améliorées par rapport à la recherche précédente d'ATLAS (Run 2), particulièrement pour les durées de vie inférieures à 5 ns, grâce aux nouveaux triggers.
   • Pour les higgsinos avec violation du nombre baryonique, cette analyse complète les recherches du CMS (qui se concentrent sur des paires de vertices hadroniques) en offrant une sensibilité unique aux grands déplacements et aux signatures avec muons.

Conclusion : Cette étude représente une avancée majeure dans la recherche de nouvelle physique via des signatures de particules à durée de vie longue. L'absence de signal permet d'établir les limites les plus strictes à ce jour sur plusieurs modèles de SUSY RPV, contraignant fortement les paramètres de ces théories au-delà du Modèle Standard.