Search for charginos and neutralinos with $B-L$ $R$-parity violating decays in $\sqrt{s}=13$ TeV and $13.6$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

L'expérience ATLAS a analysé 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV et 56 fb$^{-1}$ à 13,6 TeV pour rechercher des charginos et des neutralinos se désintégrant via des couplages violant la parité $R$ de $B-L$ en bosons de Higgs et leptons, n'ayant trouvé aucune preuve de nouvelle physique et établissant des limites d'exclusion au niveau de confiance de 95 % sur les masses des charginos et neutralinos jusqu'à 1100 GeV.

L'essentiel

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) comme le « briseur de particules » le plus puissant au monde. Il fait entrer en collision des protons minuscules à une vitesse proche de celle de la lumière, créant une explosion chaotique d'énergie. Habituellement, cette énergie se transforme en particules que nous connaissons et comprenons, comme les électrons et les quarks. Mais les physiciens soupçonnent que, cachés au sein de ce chaos, se trouvent des « superpartenaires » — des jumeaux fantomatiques et plus lourds des particules que nous connaissons, prédits par une théorie appelée la supersymétrie (SUSY).

Ce document est un rapport de l'expérience ATLAS, un détecteur géant au LHC qui agit comme un appareil photo haute vitesse à 360 degrés, tentant d'apercevoir ces jumeaux fantomatiques. Plus précisément, l'équipe cherchait deux types de superpartenaires : les charginos et les neutralinos.

Le Mystère : La règle de la « Parité-R »

Dans de nombreuses versions de cette théorie, il existe une règle appelée parité-R. Imaginez la parité-R comme un videur strict dans une boîte de nuit.

• Les particules normales (comme les électrons) ont une « valeur-R » de +1.
• Les superpartenaires ont une « valeur-R » de -1.
• La Règle : Si la parité-R est conservée, les superpartenaires doivent être créés par paires, et ils ne peuvent jamais se désintégrer uniquement en particules normales. Le superpartenaire le plus léger serait stable et invisible, s'échappant du détecteur comme un fantôme.

Cependant, ce document explore un scénario différent : la violation de la parité-R (RPV). Imaginez que le videur se fatigue et laisse les superpartenaires s'échapper pour se désintégrer directement en particules normales. Dans ce modèle spécifique, les charginos et les neutralinos sont prédits pour se désintégrer en un boson de Higgs (une particule célèbre qui donne leur masse aux autres) et un lepton (un électron, un muon ou un tau).

La Chasse : Trouver la « Signature du Higgs »

L'équipe ATLAS a mis en place un piège très spécifique pour attraper ces désintégrations. Ils savaient que si un chargino ou un neutralino se désintégrait en un boson de Higgs, ce boson de Higgs se scinderait presque immédiatement en deux quarks bottom (qui se manifestent sous forme de « jets » de particules dans le détecteur).

Ainsi, la stratégie de recherche ressemblait à la recherche d'un motif spécifique dans une pièce en désordre :

1. Les Leptons : Ils ont recherché des événements comportant un ou deux électrons ou muons de haute énergie (les « leptons » issus de la désintégration).
2. Les Jumeaux du Higgs : Ils ont recherché au moins trois « jets » identifiés comme provenant de quarks bottom. Puisque le signal implique la désintégration de deux superpartenaires, ils s'attendaient à voir deux bosons de Higgs, ce qui signifie quatre jets de quarks bottom.
3. La Pièce Manquante : Dans certains scénarios, un neutrino (une particule invisible) est également produit, emportant une partie de l'énergie. Le détecteur mesure cela sous forme de « impulsion transverse manquante ».

Les Données : Une Bibliothèque Massive de Collisions

L'équipe a analysé une bibliothèque massive de données :

• Période : Collisions de 2015 à 2023.
• Énergie : Deux niveaux d'énergie différents (13 TeV et 13,6 TeV).
• Volume : Ils ont examiné 196 « femtobarns inversés » de données. Pour visualiser cela, imaginez prendre une photo de chaque collision unique qui s'est produite au cours de ces années. C'est un ensemble de données si vaste qu'il faudrait des années à un supercalculateur pour le traiter sans les outils spécialisés construits par ATLAS.

Les Résultats : Les Fantômes Restent Cachés

Après avoir criblé des millions d'événements, l'équipe n'a trouvé aucune preuve de ces charginos ou neutralinos.

• La Comparaison : Ils ont comparé ce qu'ils ont observé dans les données avec ce que prédit le Modèle Standard (notre meilleure théorie actuelle de la physique). Les données correspondaient parfaitement aux prédictions du Modèle Standard. C'est comme chercher un type spécifique d'alien dans une forêt et ne trouver que des cerfs, des arbres et des oiseaux — exactement ce à quoi on s'attendait.
• L'Exclusion : Parce qu'ils n'ont pas trouvé les particules, ils ont pu tracer une « clôture » autour de l'endroit où ces particules ne peuvent pas se trouver. Ils ont conclu que si ces charginos et neutralinos existent et se désintègrent de cette manière, ils doivent être plus lourds que 1 100 GeV (environ 1 100 fois la masse d'un proton). S'ils étaient plus légers que cela, le détecteur ATLAS les aurait vus d'ici.

La Conclusion

Le document conclut que pour le scénario spécifique où ces superpartenaires se désintègrent en bosons de Higgs et en leptons, les versions « légères » (entre 150 et 1 100 GeV) n'existent pas.

En termes simples : L'équipe ATLAS a cherché très activement un type spécifique de particule lourde et fantomatique qui brise les règles habituelles de la physique. Ils n'ont trouvé que le bruit de fond attendu. Bien que cela ne prouve pas que ces particules n'existent pas du tout, cela nous indique qu'elles sont soit beaucoup plus lourdes que nous ne le pensions, soit qu'elles ne se désintègrent pas de la manière prédite par cette théorie spécifique. La recherche de la « nouvelle physique » continue, mais cette porte particulière reste fermée pour l'instant.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche de charginos et de neutralinos avec des désintégrations violant la parité $R$ dans le cadre $B-L$ lors de collisions $pp$à$\sqrt{s}=13$ TeV et 13,6 TeV avec le détecteur ATLAS

Problème et motivation
La supersymétrie (SUSY) offre une solution au problème de hiérarchie au sein du Modèle standard (MS), mais l'espace des paramètres complet permet la violation du nombre baryonique ($B$) et du nombre leptonique ($L$). Bien que la conservation de la parité $R$ soit souvent imposée pour empêcher la désintégration rapide du proton, des théories viables sur le plan phénoménologique violant la parité $R$ (VPR) existent. Plus précisément, le Modèle standard supersymétrique minimal $B-L$ introduit une symétrie de jauge $U(1)_{B-L}$ et des neutrinos stériles de main droite. Dans ce cadre, la brisure spontanée de $U(1)_{B-L}$ viole le nombre leptonique, permettant aux superpartenaires de se désintégrer directement en particules du MS.

Cet article cible un scénario spécifique impliquant une particule supersymétrique la plus légère (LSP) de type wino et une particule supersymétrique juste au-dessus de la plus légère (NLSP). Dans ce modèle, le chargino ($\tilde{\chi}^\pm_1$) et le neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$) sont presque dégénérés en masse (écart < 200 MeV), ce qui supprime les désintégrations conservant la parité $R$ standard. Au lieu de cela, ces particules subissent des désintégrations VPR promptes principalement en un boson de Higgs ($h$) et un lepton ($\ell$) ou un neutrino ($\nu$) : $\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ et $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$. Les recherches ATLAS précédentes visaient des désintégrations VPR en bosons $Z$ ou en squarks top ; cette analyse fournit une sensibilité complémentaire en se concentrant sur le canal de désintégration du boson de Higgs ($h \to b\bar{b}$), une région de l'espace des phases précédemment moins explorée pour ces modes de production spécifiques d'électroweakinos.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) entre 2015 et 2023. L'ensemble de données comprend une luminosité intégrée de 196 fb$^{-1}$, répartie entre 140 fb$^{-1}$ à $\sqrt{s}=13$ TeV (Run 2) et 56 fb$^{-1}$ à $\sqrt{s}=13,6$ TeV (Run 3).

• Topologie du signal : La recherche cible la production par paires électrofaible ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$) et la production associée ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$).
  • Le canal $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ aboutit à un état final avec deux leptons de signes opposés et deux bosons de Higgs (quatre jets $b$).
  • Le canal $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ aboutit à un lepton, deux bosons de Higgs (quatre jets $b$) et une impulsion transverse manquante ($E_T^{\text{miss}}$) provenant du neutrino.
• Sélection des événements : Les événements doivent comporter au moins quatre jets, dont au moins trois identifiés comme jets $b$-taggés à l'aide de l'algorithme GN2. La sélection des leptons exige des électrons ou des muons à haut $p_T$ ($p_T > 40$ GeV).
  • Région à deux leptons (SR2$\ell$) : Exige deux leptons de signes opposés. L'analyse reconstruit deux candidats boson de Higgs et deux candidats chargino. La variable $A_C$ (asymétrie de masse entre les deux candidats chargino reconstruits) est utilisée pour supprimer le bruit de fond.
  • Région à un lepton (SR1$\ell$) : Exige un lepton et une $E_T^{\text{miss}}$ significative. La masse du neutralino est reconstruite via la masse transverse ($m_{N,T}$) en utilisant un candidat boson de Higgs et $E_T^{\text{miss}}$.
• Estimation du bruit de fond : Le bruit de fond dominant est la production de paires de quarks top ($t\bar{t}$), en particulier $t\bar{t}$ avec des jets à saveur lourde ($t\bar{t}+b$). Les normalisations du bruit de fond sont dérivées des données à l'aide de régions de contrôle (CR) qui inversent des critères de sélection de signal spécifiques (par exemple, fenêtres de masse du Higgs ou variables cinématiques). Des régions de validation (VR) confirment l'extrapolation des modèles de bruit de fond.
• Analyse statistique : Un ajustement de vraisemblance profilée est réalisé à l'aide du cadre pyhf. Les incertitudes systématiques (expérimentales, théoriques et statistiques des MC) sont traitées comme paramètres de nuisance. Les limites sont fixées au niveau de confiance de 95 % (CL) en utilisant la prescription $CL_s$.

Contributions clés

1. Premières contraintes sur le canal VPR du Higgs : Ce travail présente les premières contraintes de recherche sur la production de charginos et de neutralinos où le mode de désintégration dominant est en un boson de Higgs et un lepton/neutrino dans le cadre du MSSM $B-L$.
2. $b$-tagging avancé : L'analyse exploite l'algorithme de $b$-tagging basé sur le transformateur GN2, qui offre une meilleure rejection du bruit de fond par rapport aux algorithmes précédents, ce qui est crucial pour isoler le signal $h \to b\bar{b}$.
3. Combinaison des données Run 2 et Run 3 : L'analyse intègre les données du Run 2 (13 TeV) et du Run 3 (13,6 TeV) du LHC, exploitant la luminosité et l'énergie accrues pour sonder des plages de masses plus élevées.
4. Limites spécifiques aux saveurs : Au-delà de l'hypothèse standard de fractions d'embranchement égales vers toutes les saveurs de leptons, l'analyse dérive des limites spécifiques pour les scénarios purs électron, pur muon et pur tau, démontrant l'impact de l'efficacité de reconstruction des leptons sur la sensibilité.

Résultats
Les données observées sont cohérentes avec les prédictions du Modèle standard dans toutes les régions de signal. Aucun excès significatif d'événements n'a été observé.

• Limites indépendantes du modèle : Des limites supérieures ont été fixées sur la section efficace visible pour les processus au-delà du Modèle standard dans quatre « régions de découverte » (SR2$\ell$, SR2$\ell$700, SR1$\ell$, SR1$\ell$600).
• Exclusions dépendantes du modèle :
  • Pour le scénario où les charginos et les neutralinos se désintègrent avec une fraction d'embranchement de 100 % vers $h\ell$ et $h\nu$ respectivement, et en supposant des fractions d'embranchement égales vers les saveurs électron, muon et tau, les charginos et neutralinos ayant des masses comprises entre 150 GeV et 1100 GeV sont exclus au niveau de confiance de 95 %.
  • Pour l'hypothèse pure électron, les masses comprises entre 150 GeV et 1225 GeV sont exclues.
  • Pour l'hypothèse pure muon, les masses comprises entre 150 GeV et 1150 GeV sont exclues.
  • Pour l'hypothèse pure tau, les masses comprises entre 450 GeV et 750 GeV sont exclues. La sensibilité réduite pour le canal tau est attribuée à la difficulté de reconstruire les taus se désintégrant hadroniquement et à la perte d'énergie dans les désintégrations leptoniques du tau, ce qui entraîne souvent que les leptons filles tombent en dessous du seuil $p_T$.

Signification
L'article affirme que ces résultats fournissent les premières contraintes sur le modèle de signal simplifié pour les charginos et les neutralinos se désintégrant via des bosons de Higgs dans le contexte de la violation de la parité $R$ $B-L$. L'exclusion de masses allant jusqu'à 1100–1225 GeV (selon l'hypothèse de saveur) étend considérablement la portée des recherches précédentes ciblant les désintégrations en bosons $Z$ (qui excluaient des masses jusqu'à ~975 GeV). L'analyse démontre que le canal de désintégration du Higgs, malgré la multiplicité de jets $b$ et l'environnement de bruit de fond difficiles, offre une sonde puissante et complémentaire pour la production d'électroweakinos dans les scénarios VPR. Les résultats sont interprétés comme des limites sur les sections efficaces indépendantes du modèle et sur des paramètres spécifiques du Modèle standard supersymétrique minimal, contribuant à l'effort plus large de contrainte de l'espace des paramètres SUSY.