⚛️ expériences de haute énergie

Search for supersymmetric particle pair production in final states with two oppositely charged leptons and large missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $\sqrt{s}$ = 13 TeV collectées par le détecteur CMS, cette étude recherche la production par paire de particules supersymétriques dans des états finaux comprenant deux leptons de charges opposées et une impulsion transverse manquante importante, ne trouvant aucun excès par rapport aux prédictions du Modèle Standard et établissant de nouvelles limites d'exclusion sur les masses des charginos, des top squarks et des sleptons au sein de modèles simplifiés avec conservation de la parité $R$ .

Auteur original : CMS Collaboration

Publié 2026-11-03

📖 4 min de lecture🧠 Analyse approfondie

CC BY 4.0

Auteur original : CMS Collaboration

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par l'auteur. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

L'univers que nous pouvons voir — les étoiles, les planètes et les atomes qui composent nos propres corps — ne représente qu'une infime fraction de ce qui existe. Le reste est une substance mystérieuse appelée matière noire, qui n'émet pas de lumière mais exerce une attraction gravitationnelle qui maintient les galaxies ensemble. Les physiciens cherchent depuis longtemps une particule qui pourrait expliquer cette masse invisible, mais le modèle standard de la physique des particules, notre meilleure carte du monde subatomique, n'offre aucun candidat pour celle-ci. Ce modèle peine également à expliquer pourquoi le boson de Higgs, une particule qui donne leur masse aux autres particules, est tellement plus léger que ce que les forces de la nature suggèrent qu'il devrait être. Pour combler ces lacunes, les scientifiques ont proposé une théorie appelée la supersymétrie. Cette idée suggère que chaque particule connue possède un partenaire plus lourd et invisible. Si ces partenaires existent, le plus léger d'entre eux serait stable et pourrait être la matière noire qui remplit le cosmos.

Dans une étude récente, des chercheurs du Grand Collisionneur de particules en Suisse ont mis cette idée à l'épreuve. Ils ont fracassé des protons les uns contre les autres à des vitesses incroyablement élevées, recréant les conditions qui prévalaient juste après le Big Bang, et ont cherché des signes de ces partenaires hypothétiques. Plus précisément, ils ont recherché des paires de particules appelées charginos, top squarks et sleptons. Si ces particules étaient créées, elles se désintégreraient presque instantanément en particules plus légères, incluant des électrons ou des muons (qui sont comme des électrons lourds) et une particule manquante qui emporte l'énergie sans être détectée. Les chercheurs ont analysé une quantité massive de données de collision, cherchant des événements où deux leptons de charges opposées apparaissaient aux côtés d'un déséquilibre significatif de quantité de mouvement, ce qui signalerait l'échappée de particules invisibles.

L'équipe a examiné 138 unités de données de collision, un volume qui représente l'examen le plus complet de ce type spécifique d'événement à ce jour. Ils ont classé les événements en différentes catégories basées sur les types de particules produites et la quantité d'énergie manquante. En comparant ce qu'ils ont observé par rapport à ce que le modèle standard prédit qui devrait se passer sans nouvelle physique, ils n'ont trouvé aucune preuve d'un excès. Les données correspondaient parfaitement aux prédictions de la physique connue. Cette absence de signal a permis aux scientifiques d'exclure un large éventail de possibilités quant à l'endroit où ces particules supersymétriques pourraient se cacher. Ils ont déterminé que si les charginos existent, ils doivent être plus lourds que 1120 GeV, et si les top squarks existent, ils doivent être plus lourds que 500 à 540 GeV, selon le scénario spécifique. De même, ils ont exclu l'existence de sleptons avec des masses allant jusqu'à 700 GeV.

Ces résultats sont significatifs car ils repoussent les limites de là où les scientifiques doivent chercher ensuite. La recherche était particulièrement axée sur des scénarios « compressés », où les nouvelles particules sont seulement légèrement plus lourdes que les particules invisibles en lesquelles elles se désintègrent. Dans de tels cas, les débris visibles de la collision sont très discrets et difficiles à repérer, ce qui rend ces événements faciles à manquer. En affinant leurs méthodes pour capturer ces signaux subtils, les chercheurs ont pu étendre les limites connues de la masse des particules de plusieurs centaines de GeV. Bien que l'étude n'ait pas trouvé les nouvelles particules qu'elle recherchait, elle a réussi à réduire l'espace de recherche, indiquant à la communauté scientifique que si la supersymétrie existe, elle se cache dans une région beaucoup plus lourde et plus insaisissable que prévu. Ce travail constitue une confirmation rigoureuse que le modèle standard tient bon dans cette gamme d'énergie, laissant le mystère de la matière noire et de la hiérarchie des masses des particules être résolu par des expériences encore plus puissantes à l'avenir.

Résumé technique : Recherche de la production par paires de particules supersymétriques dans des états finaux avec deux leptons de charges opposées et un moment transverse manquant important

Problème et motivation
Le Modèle Standard (SM) de la physique des particules, bien que fructueux, manque d'un candidat viable pour la matière noire et ne parvient pas à résoudre l'écart entre la masse du boson de Higgs et l'échelle de Planck. La supersymétrie (SUSY) répond à ces limitations en introduisant des superpartenaires pour les champs du SM. Dans les modèles préservant la R-parité, le neutralino le plus léger ( $\tilde{\chi}^0_1$ ) est stable et sert de candidat à la matière noire. Cet article présente une recherche de la production directe par paires de particules supersymétriques — spécifiquement les charginos ( $\tilde{\chi}^\pm_1$ ), les top squarks ( $\tilde{t}_1$ ) et les sleptons ( $\tilde{\ell}$ ) — dans des collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV. L'analyse cible des états finaux caractérisés par deux leptons de charges opposées (électrons ou muons) et un moment transverse manquant ( $p^{\text{miss}}_T$ ) important, signatures résultant de la désintégration de ces particules en un neutralino stable.

Méthodologie
L'analyse utilise 138 fb $^{-1}$ de données collectées par le détecteur CMS entre 2016 et 2018. La sélection des événements exige deux leptons isolés de charges opposées avec $p_T > 25$ (leading) et $20$ (trailing) GeV, et un $p^{\text{miss}}_T > 160$ GeV. Pour supprimer les fonds du SM, les événements avec un troisième lepton ou une masse invariante de la paire de leptons ( $m_{\ell\ell}$ ) proche de la masse du boson Z sont rejetés.

La stratégie de recherche utilise un ajustement de maximum de vraisemblance (ML) simultané de la distribution $m_{T2}$ (une variable de masse transverse généralisée pour deux particules invisibles) à travers de multiples régions de recherche (SR) et de régions de contrôle (CR). Les SR sont catégorisées selon :

Le goût des leptons (Flavor) : Canaux de même saveur (SF) et de saveurs différentes (DF).
Le partitionnement par $p^{\text{miss}}_T$ : Quatre bacs allant de 160 GeV à $>380$ GeV.
La multiplicité de jets : Spécifiquement adaptée aux recherches de top squarks pour distinguer les spectres de masse compressés (faible activité de jets) des scénarios avec des séparations de masse plus importantes.
- Recherches de charginos/sleptons : Veto des jets avec marquage $b$ (b-tagged) pour rejeter les fonds $t\bar{t}$ et $tW$ .
- Recherches de top squarks : Définition de régions avec zéro jet marqué $b$ (sensibles aux spectres compressés où les jets $b$ sont mous) et de régions avec au moins un jet marqué $b$ . Une sélection spécifique « hard ISR » est appliquée pour les hautes valeurs de $p^{\text{miss}}_T$ afin d'exploiter le recul contre les jets de rayonnement initial (ISR).

L'estimation du fond repose sur des méthodes basées sur les données lorsque cela est possible. Les normalisations des fonds dominants ( $t\bar{t}$ , $tW$ , $WW$ ) sont contraintes par l'ajustement ML dans les régions de faible $m_{T2}$ . Les fonds secondaires ( $WZ$ , $ZZ$ , $t\bar{t}Z$ , Drell-Yan) sont contraints par des CR dédiées. Les incertitudes systématiques, incluant celles liées aux performances du détecteur, à la luminosité et à la modélisation théorique (par exemple, la modélisation de la queue de $m_{T2}$ ), sont incorporées via des paramètres de nuisance.

Contributions clés

Portée de masse étendue : Cette analyse étend les contraintes précédentes de CMS en optimisant la sélection des événements pour des topologies spécifiques, particulièrement dans la région de masse compressée pour les top squarks et dans la région de haute masse pour les charginos.
Scénarios de signaux complets : L'article interprète les résultats pour trois mécanismes de production distincts :
1. Production de paires de charginos via des sleptons/sneutrinos intermédiaires et via la désintégration directe en $W\tilde{\chi}^0_1$ .
2. Production de paires de top squarks se désintégrant en $t\tilde{\chi}^0_1$ (région compressée $m_W < \Delta m \lesssim m_t$ ) et via $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$ .
3. Production de paires de sleptons se désintégrant en $\ell\tilde{\chi}^0_1$ .
Amélioration de la modélisation du fond : L'analyse introduit des corrections spécifiques pour la modélisation de la queue de $m_{T2}$ pour les événements $t\bar{t}$ et $WW$ , traitant la modélisation erronée observée dans les données à haut $p^{\text{miss}}_T$ et affinant le traitement des leptons non-prompt.

Résultats
Aucun excès significatif d'événements par rapport aux prédictions du SM n'a été observé dans aucune des régions de recherche. Par conséquent, des limites supérieures de niveau de confiance (CL) de 95 % ont été fixées sur les sections efficaces de production pour les modèles considérés. Les limites observées concordent généralement avec les limites attendues compte tenu des incertitudes expérimentales.

Charginos : Dans le scénario où les charginos se désintègrent via des sleptons intermédiaires, des masses de charginos jusqu'à 1120 GeV sont exclues pour un neutralino sans masse. Pour une masse de chargino d'environ 820 GeV, des masses de neutralino jusqu'à 490 GeV sont exclues. Dans le scénario de désintégration directe ( $\tilde{\chi}^\pm_1 \to W^\pm \tilde{\chi}^0_1$ ), les masses de charginos entre 260 et 380 GeV sont exclues pour des masses de neutralino inférieures à 25 GeV.
Top Squarks : Dans la région de masse compressée ( $m_W < m_{\tilde{t}_1} - m_{\tilde{\chi}^0_1} \lesssim m_t$ ), des masses de top squark jusqu'à 500–540 GeV sont exclues pour la désintégration $\tilde{t}_1 \to t^*\tilde{\chi}^0_1$ . Pour la chaîne de désintégration $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$ , des masses jusqu'à 540 GeV sont exclues dans la région compressée.
Sleptons : Les masses de sleptons sont exclues jusqu'à 700 GeV pour un neutralino sans masse. Pour des masses de sleptons inférieures à 150 GeV, des séparations de masse supérieures à 30 GeV sont exclues.

Signification
L'article affirme que ces résultats constituent les contraintes les plus strictes actuellement disponibles pour la production de paires de charginos impliquant des modes de désintégration via des sleptons intermédiaires. L'analyse complète avec succès les recherches précédentes dans les spectres compressés de faible masse et les états finaux hadroniques, couvrant efficacement le fossé entre elles. En étendant la portée d'exclusion pour les top squarks dans la région compressée d'environ 100 GeV par rapport aux précédentes recherches en dileptons, ce travail réduit considérablement l'espace des paramètres pour les scénarios de SUSY naturelle où la masse du top squark est proche de l'échelle du TeV. Les résultats fournissent des contraintes robustes sur les modèles simplifiés de la SUSY, renforçant l'absence de preuve de la supersymétrie dans les configurations de masse et de désintégration explorées.

Articles similaires