Search for higgsinos in compressed mass spectra using low-momentum tracks in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Sintesi Tecnica: Ricerca di Higgsini in Spettri di Massa Compressi utilizzando Tracce a Basso Momento in Collisioni $pp$a$\sqrt{s}=13$ TeV

Problema e Motivazione
Questo articolo affronta la ricerca di higgsini supersimmetrici (SUSY) in scenari in cui lo spettro di massa è "compresso". Negli scenari del Modello Supersimmetrico Minimo Standard (MSSM) in cui il parametro di massa dell'higgsino $|\mu|$ è molto più piccolo dei parametri di massa del bino ($M_1$) e del wino ($M_2$), le particelle supersimmetriche più leggere (LSP) formano un tripletto quasi degenere di stati di tipo higgsino ($\tilde{\chi}^0_1, \tilde{\chi}^\pm_1, \tilde{\chi}^0_2$). Le piccole differenze di massa ($\Delta m$) tra questi stati, guidate dalle correzioni radiative, determinano prodotti di decadimento con un momento trasverso ($p_T$) molto basso. Di conseguenza, le soglie di trigger standard e gli algoritmi di ricostruzione spesso non riescono a rilevare questi eventi, in particolare quando la differenza di massa è inferiore a 1 GeV. Le ricerche precedenti hanno coperto le firme di "traccia scomparente" (per $\Delta m \lesssim 300\text{--}400$ MeV) e le firme di leptoni prompt (per $\Delta m \gtrsim 1.5$ GeV), ma rimaneva una lacuna nelle regioni di differenza di massa intermedia e bassa, dove i vincoli esistenti erano più deboli o inesistenti.

Metodologia
L'analisi utilizza 140 fb$^{-1}$ di dati di collisione protone-protone a $\sqrt{s}=13$ TeV raccolti dal rivelatore ATLAS. La strategia di ricerca si basa sull'identificazione della produzione di coppie di higgsini in associazione con un jet di radiazione iniziale di stato (ISR) ad alto $p_T$, che fornisce un impulso al sistema di higgsini e genera un momento trasverso mancante significativo ($E^{\text{miss}}_T$) per attivare il trigger dell'evento. Vengono impiegate due distinte strategie di ricerca per coprire diversi regimi di differenza di massa, entrambe sfruttando l'apprendimento automatico (reti neurali) per identificare i prodotti di decadimento "soft":

1. Ricerca di Tracce Spostate ($\Delta m \approx 0.3\text{--}1$ GeV):

   • Target: Scenari in cui l'higgsino carico ($\tilde{\chi}^\pm_1$) ha un tempo di vita $c\tau \approx 0.1\text{--}10$ mm, decadendo in un pione morbido ($\pi^\pm$) e nell'LSP ($\tilde{\chi}^0_1$).
   • Firma: Eventi con alta $E^{\text{miss}}_T$, un jet ad alto $p_T$ e almeno una traccia carica a basso momento con un grande parametro di impatto trasverso ($d_0$).
   • Tecnica: Vengono utilizzate due reti neurali (NN) completamente connesse: una NN a "livello di evento" che utilizza la cinematica globale (jet $p_T$, $E^{\text{miss}}_T$) e una NN a "livello di traccia" che utilizza le proprietà della traccia ($p_T$, $d_0$, isolamento, accoppiamento al vertice secondario). Le regioni di segnale (SR) sono definite nel piano 2D dei punteggi delle NN.
   • Stima del Background: Dominata da $Z(\to\nu\bar{\nu})+$jets e $W^\pm(\to\tau\nu)+$jets. Viene utilizzato un approccio semi-data-driven, impiegando regioni di controllo (CR) per derivare fattori di normalizzazione e fattori di riponderazione a livello di traccia per correggere l'errore di modellazione di pile-up e isolamento della traccia.

2. Ricerca con Un Leptone e Una Traccia (1$\ell$1T) ($\Delta m \approx 1\text{--}3$ GeV):

   • Target: Scenari in cui gli higgsini decadono prontamente tramite bosoni off-shell ($\tilde{\chi}^0_2 \to Z^* \to \ell^+\ell^-$ e $\tilde{\chi}^\pm_1 \to W^{*\pm} \to \ell\nu$).
   • Firma: Eventi con alta $E^{\text{miss}}_T$, un jet ad alto $p_T$, esattamente un leptone "standard" (tight) e una traccia aggiuntiva a basso $p_T$ di tipo leptone (elettrone o muone).
   • Tecnica: Vengono sviluppati algoritmi di identificazione (ID) dedicati per leptoni-traccia a basso $p_T$ basati su NN per identificare elettroni e muoni nell'intervallo $p_T \in [0.5, 5]$ GeV, estendendosi oltre le capacità standard di ATLAS. Viene impiegata una rete neurale parametrizzata (pNN), che prende la differenza di massa $\Delta m(\tilde{\chi}^0_2, \tilde{\chi}^0_1)$ come parametro di input per ottimizzare dinamicamente i criteri di selezione attraverso diversi ipotetici modelli di massa.
   • Stima del Background: Il background dominante è $W^\pm+$jets con un leptone-traccia falso a basso $p_T$. Viene utilizzato un metodo di "fattore di trasferimento" basato sui dati, che misura il rapporto tra tracce che superano e che non superano i criteri nelle regioni di controllo per stimare il background di falsi nelle regioni di segnale.

Contributi Chiave

• Tecniche di Identificazione Innovative: Lo sviluppo e l'applicazione di "soft-lepton tagger" basati su NN e di classificatori a "livello di traccia" permettono la ricostruzione e l'identificazione di particelle con $p_T$ fino a 0.5 GeV, un regime precedentemente difficile da accedere con i trigger e la ricostruzione standard.
• Apprendimento Automatico Parametrizzato: L'uso di una pNN nella ricerca 1$\ell$1T consente a un singolo modello di coprire efficacemente un ampio intervallo di ipotesi di differenza di massa ($\Delta m = 1\text{--}5$ GeV) senza richiedere un addestramento separato per ogni specifico punto di massa.
• Modellazione Robusta del Background: L'implementazione di metodi sofisticati semi-data-driven, inclusi la riponderazione a livello di traccia per la ricerca di tracce spostate e i metodi del fattore di trasferimento per la ricerca 1$\ell$1T, fornisce stime del background robuste in regioni con bassa statistica e cinematica complessa.

Risultati

• Osservazione: Non è stata osservata alcuna eccedenza significativa di eventi rispetto alle previsioni del Modello Standard (SM) in nessuna delle ricerche. Tutti i rendimenti di eventi osservati nelle regioni di segnale sono coerenti con le aspettative del background entro le incertezze statistiche e sistematiche (le deviazioni erano generalmente entro $2\sigma$).
• Limiti di Esclusione:
  • Ricerca di Tracce Spostate: Esclude masse di chargino ($m_{\tilde{\chi}^\pm_1}$) fino a circa 200 GeV per differenze di massa intorno a 0.6 GeV.
  • Ricerca 1$\ell$1T: Esclude masse di chargino fino a circa 130 GeV per differenze di massa intorno a 2 GeV.
  • Combinato: I risultati combinati escludono masse di chargino inferiori a 126 GeV con un livello di confidenza del 95% per differenze di massa tra 0.3 e 2 GeV.
• Limiti Indipendenti dal Modello: Sono stati stabiliti limiti superiori sulla sezione d'urto visibile per processi generici oltre il Modello Standard nelle regioni di ricerca 1$\ell$1T ottimizzate per differenze di massa di 1, 3 e 5 GeV.

Significatività
L'articolo afferma che questi risultati rappresentano i primi vincoli ATLAS in una specifica porzione dello spazio dei parametri degli higgsini compressi (specificamente $\Delta m \approx 0.3\text{--}2$ GeV). Fondamentalmente, questi nuovi limiti superano i limiti precedentemente stabiliti da altri esperimenti, inclusi gli esperimenti LEP, che detenevano i vincoli più forti per differenze di massa nell'intervallo 0.9–1.2 GeV. Estendendo la portata dell'esclusione a masse più elevate e coprendo la lacuna tra i regimi di "traccia scomparente" e "leptone prompt", questo lavoro fornisce i vincoli più stringenti ad oggi su chargini e neutralini di tipo higgsino con spettri di massa compressi nel contesto di modelli SUSY semplificati.