Search for long-lived particles using displaced vertices with low-momentum tracks in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizzando 100 fb$^{-1}$ di dati di collisione protone-protone a 13 TeV provenienti dall'esperimento CMS, questo studio presenta una ricerca di particelle a lunga vita attraverso vertici spostati con tracce a basso impulso, stabilendo i limiti più stringenti finora ottenuti sulle masse dello squark top e del neutralino di tipo wino in specifici scenari di coannichilazione supersimmetrica.

L'essenziale

Il quadro generale: Caccia a particelle "spettrali"

Immaginate il Large Hadron Collider (LHC) al CERN come una gigantesca zona di incidenti automobilistici ad alta velocità. Gli scienziati fanno scontrare protoni a velocità incredibili per vedere quali piccoli pezzi vengono scagliati fuori. Di solito, questi pezzi (particelle) attraversano istantaneamente i rivelatori, come un proiettile che attraversa un muro.

Tuttavia, alcune teorie suggeriscono che certe nuove particelle misteriose potrebbero essere "spettrali". Invece di scomparire istantaneamente, potrebbero percorrere una breve distanza – come pochi centimetri – prima di esplodere e decadere in altre cose. Queste sono chiamate Particelle a Vita Lunga (LLP).

Questo documento descrive una nuova ricerca condotta dall'esperimento CMS (uno dei giganteschi rivelatori dell'LHC) specificamente alla ricerca di questi "fantasmi" che percorrono una breve distanza e poi lasciano dietro di sé una scia di detriti a bassa energia.

L'obiettivo specifico: lo scenario "compressa"

Gli scienziati stanno cercando una situazione molto specifica e complessa chiamata "spettro compresso".

• L'analogia: Immaginate due corridori, uno pesante (la nuova particella) e uno leggero (la particella di materia oscura invisibile). Di solito, se il corridore pesante lascia cadere qualcosa, questa cade con un grande tonfo. Ma in questo scenario, il corridore pesante è solo leggermente più pesante di quello leggero (una differenza inferiore a 25 GeV).
• Il risultato: Poiché sono così vicini nel peso, il corridore pesante non ha molta energia da cedere quando decade. I "detriti" che lascia dietro di sé si muovono molto lentamente (bassa quantità di moto).
• Il problema: Le ricerche precedenti erano come usare una rete con maglie grandi; mancavano queste particelle lente e a bassa energia perché erano progettate per catturare quelle veloci e ad alta energia. Questa nuova ricerca utilizza una "rete a maglie fini" per catturare queste tracce lente e a bassa quantità di moto.

Il lavoro da detective: come li hanno trovati

La ricerca cerca una firma molto specifica nei dati, che il documento definisce "vertice spostato".

1. La messa in scena: Avviene la collisione e viene creata una particella pesante.
2. Il viaggio: Invece di decadere immediatamente sul luogo dell'incidente, questa particella percorre qualche millimetro o centimetro di distanza.
3. L'esplosione: Decade in alcune particelle cariche (tracce) e in una particella invisibile (candidato materia oscura).
4. Gli indizi:
   • Il vertice spostato: Le tracce cariche non iniziano al centro dell'incidente; iniziano a qualche passo di distanza. È come trovare impronte che iniziano nel mezzo di una stanza, non alla porta.
   • Il rinculo: Per bilanciare l'energia, c'è solitamente un "colpo" proveniente dall'incidente iniziale (un getto di radiazione dello stato iniziale) che spinge via la particella pesante.
   • Energia mancante: La particella invisibile vola via non rilevata, creando un vuoto nel bilancio energetico (Quantità di moto trasversa mancante).

La strategia: un nuovo modo di contare

Il documento introduce un metodo statistico intelligente per indovinare quanti eventi di "fondo" (falsi allarmi) ci sono, senza affidarsi a simulazioni al computer che potrebbero essere errate.

• L'analogia: Immaginate di cercare di contare quante persone indossano cappelli rossi in uno stadio, ma non riescite a vederle tutte. Invece di indovinare, contate quante persone indossano cappelli blu in una sezione che potete vedere chiaramente. Poi, usate un "fattore di trasferimento" (un rapporto noto) per stimare quanti cappelli rossi ci sono nell'intero stadio.
• Nel documento: Dividono i dati in diversi "piani" in base al numero di buone tracce che vedono. Contano gli eventi facili da vedere (regioni di controllo) e usano rapporti matematici per prevedere quanti eventi difficili da vedere (regioni di segnale) dovrebbero esistere se non ci fosse nuova fisica. Confrontano poi questa previsione con ciò che osservano effettivamente.

I risultati: cosa hanno trovato?

Dopo aver analizzato i dati del 2017 e del 2018 (100 "femtobarn inversi" di dati, che è una quantità enorme di collisioni):

1. Nessun fantasma trovato: Il numero di eventi osservati corrispondeva perfettamente alla previsione per il normale rumore di fondo. Non c'era alcuna prova "fumante" di queste nuove particelle a vita lunga.
2. Stabilire i limiti: Anche se non hanno trovato le particelle, hanno escluso con successo dove potrebbero nascondersi.
   • Hanno escluso la possibilità che gli Stop (un tipo di particella supersimmetrica) abbiano masse comprese tra 400 e 1100 GeV.
   • Hanno escluso i Neutralini simili a Wino (un altro tipo) con masse comprese tra 220 e 550 GeV.
3. Il risultato: Questa è la ricerca più sensibile finora per questi specifici scenari "compressi". Stabilisce le regole più severe finora su dove queste particelle non possono esistere.

Riepilogo

Pensate a questo documento come alla caccia ai "fantasmi" più accurata finora in un angolo specifico e difficile dell'universo. I cacciatori hanno usato una nuova rete più fine per catturare particelle lente e a bassa energia che le reti precedenti avevano mancato. Non hanno trovato fantasmi, ma hanno dimostrato con successo che, se questi fantasmi esistono, non si nascondono nei specifici intervalli di massa che hanno appena cercato. Questo restringe la mappa per i futuri esploratori.

Sommario tecnico

Riassunto Tecnico: Ricerca di Particelle a Lunga Vita Mediante Vertici Spostati con Tracce a Basso Momento

Problema e Motivazione
Molte teorie oltre il Modello Standard (SM) prevedono l'esistenza di particelle a lunga vita (LLP) con tempi di vita propri medi superiori a $\sim 0.1$ ps. In scenari supersimmetrici (SUSY) specifici, come il modello del partner supersimmetrico più leggero (NLSP) dello squark top ($\tilde{t}$) e i modelli NLSP bino-wino, la differenza di massa ($\Delta m$) tra l'NLSP e la particella supersimmetrica più leggera (LSP) può essere piccola (inferiore a 25 GeV). In questi scenari di "spettro compresso", i prodotti di decadimento dell'LLP sono soffici, risultando in tracce a basso momento. Le ricerche precedenti condotte dalle collaborazioni ATLAS e CMS utilizzando vertici spostati hanno sofferto di una sensibilità ridotta in queste specifiche regioni di separazione di massa a causa di criteri di selezione degli eventi e dei vertici non ottimizzati per le tracce a basso momento. Questa analisi mira a colmare tale lacuna prendendo di mira gli LLP che decadono con $\Delta m$ nell'intervallo di 12–25 GeV, sfruttando tracce a basso momento ben misurate per migliorare la sensibilità.

Metodologia
La ricerca utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dall'esperimento CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante il 2017 e il 2018, corrispondenti a una luminosità integrata di 100 fb$^{-1}$. L'analisi si concentra sugli stati finali contenenti un vertice spostato, un grande momento trasverso mancante ($p^{\text{miss}}_T$) e un getto da radiazione di stato iniziale (ISR).

• Modelli di Segnale: Vengono considerati due scenari di riferimento di coannichilazione SUSY:
  1. Modello NLSP $\tilde{t}$: Uno squark top a lunga vita che decade attraverso canali a quattro corpi o a due corpi in un neutralino LSP di tipo bino.
  2. Modello NLSP Bino-Wino: Un neutralino di tipo wino ($\tilde{\chi}^0_2$) e un chargino ($\tilde{\chi}^\pm_1$) quasi degeneri in massa, dove il $\tilde{\chi}^0_2$ è a lunga vita e decade tramite un bosone $Z$ off-shell.
• Rilevatore e Ricostruzione: L'analisi sfrutta il tracciatore CMS aggiornato del 2017–2018, che offre prestazioni migliorate per le tracce a basso momento ($1 < p_T < 10$ GeV). I vertici spostati sono ricostruiti utilizzando un cercatore di vertici inclusivi (IVF) personalizzato basato sul fittatore di vertici adattivo. I parametri dell'IVF sono stati tarati per accogliere tracce con grandi separazioni angolari, migliorando l'efficienza per i decadimenti di LLP con grandi angoli di apertura.
• Selezione degli Eventi: Gli eventi devono superare un trigger con $p^{\text{miss}}_T > 120$ GeV e avere un $p^{\text{miss}}_T$ offline $> 400$ GeV, insieme ad almeno un getto ISR ($p_T > 100$ GeV). Vengono applicati veti su leptoni e fotoni per ridurre il fondo.
• Stima del Fondo: Viene impiegato un nuovo metodo di stima del fondo basato sui dati, utilizzando fattori di trasferimento. Gli eventi sono categorizzati in "piani" in base al numero di "tracce buone" (tracce che soddisfano criteri rigorosi di qualità e isolamento) associate a un vertice spostato (0, 1, 2 o $\ge 3$ tracce). Le regioni di controllo (CR) con basso $p^{\text{miss}}_T$ sono utilizzate per derivare fattori di trasferimento che prevedono la resa del fondo nelle regioni di segnale (SR) con $p^{\text{miss}}_T$ più elevato e diverse molteplicità di tracce. Questo approccio evita la dipendenza dalla simulazione per la modellazione del fondo.
• Incertezze Sistematiche: Le principali incertezze includono l'efficienza di ricostruzione delle tracce/vertici (10–11%), derivata dai decadimenti $K^0_S \to \pi^-\pi^+$, e le incertezze statistiche della stima del fondo (<2%).

Contributi Chiave

• Ottimizzazione per Spettri Compressi: L'analisi prende di mira specificamente il regime di tracce a basso momento ($p_T < 10$ GeV) e piccole separazioni di massa ($\Delta m < 25$ GeV), una regione precedentemente meno esplorata dalle ricerche di vertici spostati.
• Ricostruzione Personalizzata dei Vertici: La taratura dell'algoritmo IVF per accettare grandi separazioni angolari tra le tracce migliora significativamente l'efficienza di ricostruzione per gli LLP con lunghezze di decadimento elevate e configurazioni cinematiche specifiche.
• Stima del Fondo Basata sui Dati: L'implementazione di un metodo a fattori di trasferimento basato sulla molteplicità delle tracce e su $p^{\text{miss}}_T$ consente una previsione robusta del fondo attraverso multiple regioni di segnale senza fare affidamento su campioni di fondo simulati per la resa finale.
• Veto della Mappa dei Materiali: Viene utilizzata una mappa dei materiali derivata dai dati per vetare i vertici originati da interazioni nucleari all'interno del materiale del tracciatore, riducendo il fondo mantenendo al contempo l'efficienza del segnale.

Risultati
L'analisi non ha osservato alcuna deviazione significativa dall'ipotesi di solo fondo attraverso le regioni di ricerca, con un valore $p$ combinato di 0.5. Di conseguenza, sono stati stabiliti limiti superiori al livello di confidenza del 95% (CL) sulla sezione d'urto di produzione per i modelli di riferimento.

• Modello NLSP $\tilde{t}$: Gli squark top con masse inferiori a 400–1100 GeV sono esclusi, a seconda della differenza di massa ($\Delta m$) e della frazione di decadimento del canale a quattro corpi.
• Modello NLSP Bino-Wino: I neutralini di tipo wino con masse inferiori a 220–550 GeV sono esclusi, a seconda di $\Delta m$ e della lunghezza di decadimento propria ($c\tau$).
• La sensibilità è ottimale per valori di $c\tau$ intorno a 10 mm e migliora all'aumentare di $\Delta m$.

Significato
Questo lavoro rappresenta la prima ricerca al LHC a dimostrare sensibilità alle particelle a lunga vita in scenari di spettro compresso utilizzando firme di vertici spostati con tracce a basso momento. Stabilendo i limiti più stringenti finora per i modelli di segnale NLSP $\tilde{t}$ e bino-wino, l'analisi esamina efficacemente regioni precedentemente inaccessibili dello spazio dei parametri SUSY. I risultati vincolano specifici scenari di coannichilazione in cui la differenza di massa tra l'NLSP e l'LSP è inferiore a 25 GeV, fornendo vincoli critici per i modelli teorici che prevedono tali spettri compressi.