Search for new physics using single-lepton events with high multiplicities of jets and b jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV provenant du détecteur CMS, cette étude recherche la supersymétrie avec violation de la R-parité dans les événements à un lepton avec une multiplicité élevée de jets et de jets b en analysant les masses des jets à large rayon, ne trouvant aucun excès significatif et excluant les masses de gluinos inférieures à 1890 GeV avec un niveau de confiance de 95 %.

L'essentiel

La vue d'ensemble : À la chasse aux particules « fantômes » dans une machine à pinball cosmique

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN comme la machine à pinball cosmique la plus puissante au monde. Les scientifiques font s'entrechoquer deux flux de protons à une vitesse proche de celle de la lumière. Habituellement, ces collisions créent une pluie prévisible de particules qui suivent les règles du « Modèle Standard » (le manuel de règles de la physique que nous connaissons déjà).

Mais parfois, le manuel de règles peut être incomplet. Ce document décrit une recherche de nouvelle physique — plus précisément une théorie appelée Supersymétrie (SUSY) — qui pourrait expliquer ce que le manuel actuel ne parvient pas à expliquer.

Le mystère : Le problème de l'« argent manquant »

Dans de nombreuses versions de la Supersymétrie, lorsque de nouvelles particules lourdes sont créées, elles se désintègrent en une particule stable et invisible (comme un candidat à la matière noire). Comme cette particule invisible s'échappe sans heurter de détecteurs, elle ressemble à de l'argent manquant sur un compte bancaire. Les scientifiques cherchent habituellement cet « argent manquant » (appelé impulsion transverse manquante) pour trouver une nouvelle physique.

Cependant, ce document étudie une version différente de la théorie appelée Supersymétrie avec violation de la parité R (RPV).

• L'analogie : Imaginez un cambrioleur qui ne se contente pas de voler l'argent et de disparaître. Au lieu de cela, il vole l'argent et le dépense immédiatement en articles visibles (comme des lingots d'or et des bijoux) avant de s'enfuir.
• Le résultat : Il ne reste aucun « argent manquant ». Le voleur est parti, mais le tas d'or et de bijoux (les particules) est énorme et très évident.

Comme il n'y a pas d'« argent manquant » à chercher, les scientifiques ont dû changer de stratégie. Ils ont cessé de chercher le vide pour commencer à chercher des amas massifs de débris.

La stratégie : Compter les débris

Les scientifiques se sont concentrés sur un scénario spécifique où une particule lourde appelée gluino (pensez à une particule de « colle » super-lourde) est créée puis explose.

• L'explosion : Quand le gluino explose, il ne crée pas seulement quelques miettes ; il crée une tempête chaotique de jets (des jets de particules).
• Les spécificités : La théorie prédit que chaque explosion crée un quark top, un quark bottom et un quark strange. Les quarks bottom sont comme des « lingots d'or lourds » dans cette tempête.
• Le signal : Les scientifiques ont recherché des événements avec :
  1. Un lepton : Un seul électron ou muon (comme une étincelle distincte dans la tempête).
  2. Une multiplicité de jets élevée : Un énorme nombre de jets de particules (la tempête elle-même).
  3. De nombreux « b-jets » : Beaucoup de ces jets contenant des quarks bottom lourds (les lingots d'or).
  4. Pas d'énergie manquante : Le « voleur » n'est pas parti avec de l'or invisible.

Pour mesurer la taille de cette tempête, ils ont utilisé un outil spécial appelé $M_J$ (la somme des masses des amas de particules importants). Si une nouvelle physique existe, ce nombre devrait être très élevé, créant une « montagne » de données qui ne correspond pas aux collines habituelles du bruit de fond.

La méthode : Le travail de détective « basé sur les données »

La partie la plus difficile de cette expérience est de savoir à quoi ressemble la « normale ». Le bruit de fond provient de collisions de particules standards (comme les paires de quarks top) qui peuvent accidentellement ressembler au signal.

Au lieu de s'appuyer entièrement sur des simulations informatiques (qui peuvent parfois se tromper sur les « queues » de distribution), l'équipe a utilisé une approche basée sur les données :

1. Régions de contrôle : Ils ont examiné des zones de données où ils savaient qu'il n'y avait que du bruit de fond (comme observer une rue calme pour comprendre le son du trafic).
2. Calibrage : Ils ont mesuré le comportement du bruit de fond dans ces zones calmes et ont utilisé cela pour prédire ce que le bruit de fond devrait ressembler dans les « Régions de Signal » (les rues animées où ils espéraient trouver la nouvelle physique).
3. L'ajustement (Fit) : Ils ont comparé les données réelles dans les Régions de Signal par rapport à leurs prédictions.

Les résultats : Le silence des gluinos

Après avoir analysé 138 unités de données (une quantité énorme d'histoire de collisions collectée entre 2016 et 2018), les scientifiques ont constaté :

• Pas de surprise : Les données correspondaient parfaitement aux prédictions du bruit de fond. Il n'y avait pas de « montagne » de nouvelle physique.
• L'exclusion : Parce qu'ils n'ont pas vu le signal, ils ont pu éliminer certaines possibilités. Ils ont conclu que si ces gluinos spécifiques existent, ils doivent être plus lourds que 1 890 GeV (environ 2 000 fois plus lourds qu'un proton).
• La conclusion : Tout gluino plus léger que cela a été « exclu » (éliminé) par cette recherche.

Résumé

Ce document est une partie de « Où est Charlie ? » à enjeux élevés dans une foule massive de particules. L'équipe a cherché un type spécifique de « voleur » (un gluino) qui laisse derrière lui un tas massif de preuves visibles (jets et quarks bottom) mais aucun butin invisible. Ils ont inspecté chaque recoin des données, calibré leur recherche à l'aide d'exemples du monde réel et n'ont rien trouvé. Par conséquent, ils ont déclaré que si ces particules existent, elles sont trop lourdes pour avoir été capturées par ce filet spécifique. La recherche de versions plus légères de ces particules est restée infructueuse.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche d'une nouvelle physique dans les événements à un seul lepton avec de hautes multiplicités de jets à $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problème et motivation
Le Modèle Standard (SM) décrit avec succès les particules fondamentales mais ne parvient pas à résoudre des défis théoriques tels que les hiérarchies de masse des particules et l'unification des couplages de jauge. La supersymétrie (SUSY) offre une solution potentielle, pourtant les recherches de la SUSY conservant la R-parité reposent souvent sur des signatures de grande impulsion transverse manquante ($p^{\text{miss}}_T$), qui sont absentes dans les scénarios violant la R-parité (RPV). Dans les modèles RPV, le la plus légère particule supersymétrique (LSP) peut se désintégrer en particules du SM, éliminant ainsi la signature $p^{\text{miss}}_T$ et nécessitant des stratégies de recherche alternatives. Cet article traite de la recherche de la SUSY RPV, en se concentrant spécifiquement sur la production de paires de gluinos où les gluinos se désintègrent en quarks top ($t$), bottom ($b$) et strange ($s$) via le couplage $\lambda''_{323}$ dans un cadre de violation minimale de la saveur. L'analyse cible les événements présentant de hautes multiplicités de jets, un nombre élevé de jets $b$ et un seul lepton, sans exiger d'impulsion transverse manquante significative.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur CMS au CERN LHC pendant la période 2016–2018, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb$^{-1}$ à une énergie de centre de masse de 13 TeV.

• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant exactement un électron ou un muon isolé ($N_{\text{lep}} = 1$), au moins quatre jets de petit rayon ($R=0.4$), et une somme scalaire des impulsions transverses des jets ($H_T$) supérieure à 1200 GeV. Un discriminant clé est la somme des masses des jets à grand rayon ($M_J$), définie comme la somme des masses des jets regroupés avec $R=1.2$ (incluant le lepton sélectionné). Une exigence de base de $M_J > 500$ GeV est appliquée.
• Régions d'analyse : La recherche est effectuée dans des bacs (bins) de multiplicité de jets ($N_{\text{jet}}$) et de nombre de jets étiquetés $b$ ($N_b$). Les régions de signal (SR) sont définies dans des bacs de haute multiplicité de jets et de haut nombre de jets $b$ (spécifiquement $N_{\text{jet}} \ge 8$ et $N_b \ge 3$), tandis que les régions de contrôle (CR) avec des multiplicités plus faibles sont utilisées pour contraindre les normalisations de fond.
• Estimation du fond : Les fonds dominants sont la production de paires de quarks top ($t\bar{t}$), les processus W+jets et les événements QCD multijets. Une approche basée sur les données est employée où les normalisations de fond sont déterminées via un ajustement simultané de la distribution $M_J$ dans tous les bacs.
  • Facteurs $\kappa$ : Pour corriger les écarts entre la simulation et les données concernant la forme de $M_J$, des facteurs de correction ($\kappa_1$ et $\kappa_2$) sont dérivés d'échantillons de contrôle indépendants pour les QCD multijets, W+jets et $t\bar{t}$. Ces facteurs sont contraints dans un ajustement global en utilisant la statistique élevée des régions à faible $N_b$.
  • Normalisation : Les normalisations de $t\bar{t}$ et de QCD multijet sont traitées comme des paramètres libres contraints par les CR (incluant une région $N_{\text{lep}}=0$ avec des exigences de $N_{\text{jet}}$ décalées). La normalisation de W+jets est contrainte par un paramètre global à travers tous les bacs.
• Incertitudes systématiques : Les incertitudes incluent l'échelle/résolution d'énergie des jets, l'efficacité de l'étiquetage $b$ (b-tagging), l'identification des leptons, le pileup, et les variations d'échelle théorique. L'analyse traite spécifiquement les dépendances potentielles de la forme de $M_J$ vis-à-vis de $N_b$ (par exemple, issues de la division de gluons) en assignant des incertitudes séparées pour chaque bac de $N_b$.

Contributions clés

• Discriminant novateur : L'article démontre l'efficacité de la somme des masses des jets à grand rayon ($M_J$) comme une variable robuste pour distinguer les événements de signal à haute multiplicité des fonds du SM en l'absence de $p^{\text{miss}}_T$.
• Modélisation du fond basée sur les données : Une stratégie raffinée est présentée où les fonds sont normalisés séparément dans chaque bac de $N_b$. Cela atténue les incertitudes systématiques liées à la composition de la saveur des jets et à la division de gluons, qui étaient des facteurs limitants dans les analyses précédentes.
• Cadre d'ajustement complet : L'utilisation d'un ajustement de maximum de vraisemblance binné simultané sur les bacs $N_{\text{jet}}$, $N_b$ et $M_J$ permet l'extraction simultanée des normalisations de fond et des facteurs de correction ($\kappa$), maximisant l'utilisation des régions de contrôle pour contraindre les régions de signal.

Résultats
Les rendements d'événements observés dans les régions de signal sont cohérents avec les prédictions de fond. Aucun excès significatif de données par rapport au fond n'est observé dans la distribution $M_J$.

• Limites d'exclusion : Sur la base du résultat nul, des limites supérieures sur le produit de la section efficace de production par le rapport de branchement sont fixées à un niveau de confiance (CL) de 95 %.
• Limites de masse : Pour le modèle simplifié spécifique de production de paires de gluinos ($\tilde{g}\tilde{g} \to tbs \, tbs$), les masses de gluino inférieures à 1890 GeV sont exclues à 95 % CL. Ce résultat améliore les limites précédentes, y compris celles d'ATLAS (1830 GeV) et les résultats antérieurs de CMS.

Signification
Ce travail fournit un test rigoureux de la supersymétrie violant la R-parité dans un régime caractérisé par de hautes multiplicités de jets et de jets $b$ sans impulsion transverse manquante. En excluant les masses de gluinos jusqu'à 1890 GeV, l'analyse contraint de manière significative l'espace des paramètres des modèles de SUSY RPV à violation minimale de la saveur. La méthodologie, particulièrement l'estimation du fond basée sur les données utilisant des templates de $M_J$ et une normalisation par bac de $N_b$, offre un cadre robuste pour les futures recherches de nouvelle physique dans les états finaux à haute multiplicité où les signatures traditionnelles d'énergie manquante ne sont pas applicables. Les résultats sont cohérents avec le Modèle Standard et représentent la recherche la plus sensible à ce jour pour cette topologie spécifique de désintégration de gluino.