Search for long-lived particles using displaced vertices of oppositely charged leptons in 140 fb$^{-1}$ of pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Utilizzando 140 fb$^{-1}$ di dati di collisione protone-protone a 13 TeV raccolti dal rivelatore ATLAS, questo studio presenta una ricerca di particelle a lunga vita che decadono in coppie di leptoni con carica opposta dislocati, stabilendo i limiti superiori principali sulle sezioni d'urto di produzione per i modelli di riferimento $Z'$ e supersimmetrici con violazione della parità $R$, senza osservare alcun evento candidato.

L'essenziale

Il quadro generale: Caccia alle particelle "fantasma"

Immaginate il Large Hadron Collider (LHC) come un'arena gigantesca per incidenti automobilistici ad alta velocità. Gli scienziati fanno scontrare protoni a velocità prossime a quella della luce, sperando di ricreare le condizioni dell'universo subito dopo il Big Bang. Di solito, quando queste particelle si scontrano, si frantumano in altre particelle che volano via e colpiscono i rivelatori quasi istantaneamente.

Ma che dire se alcune di queste particelle fossero come fantasmi? Che dire se venissero create nello scontro, ma invece di svanire immediatamente, viaggiassero per alcuni centimetri o addirittura metri attraverso il rivelatore prima di finalmente "poofare" in qualcosa che possiamo vedere? Queste sono chiamate Particelle a Vita Lunga (LLP).

Questo documento è una relazione del team ATLAS (un enorme gruppo di scienziati) che dice: "Abbiamo cercato molto attentamente questi fantasmi nei nostri dati del 2015–2018, ma non ne abbiamo trovati nessuno."

Il lavoro da detective: Alla ricerca di "vertici spostati"

Per trovare questi fantasmi, gli scienziati hanno dovuto cercare un indizio specifico chiamato Vertice Spostato (DV).

• Lo scenario normale: Di solito, quando le particelle vengono create, lasciano un "anello di fumo" (una traccia) che inizia proprio al centro dello scontro (il Vertice Primario).
• Lo scenario fantasma: Se esiste una particella a vita lunga, questa si allontana dal centro e poi decade. Quando decade, crea un nuovo "anello di fumo" (una coppia di particelle cariche, come elettroni o muoni) che inizia lontano dal centro.

L'analogia:
Immaginate uno spettacolo di fuochi d'artificio.

• Particelle normali: Il fuoco d'artificio esplode proprio nella vostra mano e le scintille volano via immediatamente.
• Particelle a vita lunga: Il fuoco d'artificio viene lanciato in aria, vola per alcuni secondi e poi esplode nel cielo. Il "punto di esplosione" (il vertice) è spostato rispetto al punto da cui è stato lanciato.

Il rivelatore ATLAS è una gigantesca fotocamera high-tech che scatta foto a questi fuochi d'artificio. Gli scienziati hanno costruito un algoritmo speciale per ignorare i fuochi d'artificio che esplodono nella vostra mano e cercare solo quelli che esplodono nel cielo.

I tre sospetti (Modelli di riferimento)

Gli scienziati non hanno cercato un qualsiasi fantasma; avevano tre specifici "sospetti" in mente basati su teorie che estendono la nostra attuale comprensione della fisica (Modello Standard). Hanno verificato se questi sospetti potessero nascondersi nei dati:

1. Lo Scalare Pesante e il Bosone $Z'$: Immaginate una pesante particella genitore invisibile (uno scalare) che si divide in due "figli" a vita lunga (bosoni $Z'$). Questi figli volano via e alla fine si trasformano in coppie di particelle con carica opposta (come un elettrone e un positrone, o due muoni).
2. Il Gluino e il Neutralino: In una teoria chiamata Supersimmetria (SUSY), esistono particelle pesanti chiamate gluini. Quando decadono, potrebbero produrre un "neutralino" (una particella fantasma) che vive per un po' prima di trasformarsi in due particelle cariche e un neutrino.
3. L'Electroweakino: Una variante della precedente, dove il neutralino è prodotto da altre particelle pesanti chiamate carchini o neutralini più pesanti.

La strategia di ricerca: Come hanno cercato

Il team ha analizzato 140 fb⁻¹ di dati. Per fare un paragone, se un "fb" fosse un singolo granello di sabbia, loro hanno analizzato una montagna di dati.

• La rete: Hanno predisposto una rete molto specifica. Hanno catturato solo eventi in cui:
  • Apparevano due particelle cariche (leptoni).
  • Formavano un chiaro "vertice" (un punto di incontro) all'interno del sistema di tracciamento interno del rivelatore.
  • Questo punto di incontro era spostato (almeno 2 mm lontano dal centro dello scontro).
  • Le particelle avevano abbastanza energia per essere reali, non solo rumore casuale.
• Il rumore di fondo: L'universo è disordinato. A volte, tracce casuali si incrociano per caso, o i raggi cosmici (particelle dallo spazio) colpiscono il rivelatore e sembrano un decadimento. Gli scienziati hanno usato matematica intelligente per stimare quanti di questi "finti fantasmi" avrebbero dovuto aspettarsi.
  • Analogia: Se state cercando un tipo specifico di uccello in una foresta, dovete sapere quante foglie assomigliano a quell'uccello per non essere ingannati.

I risultati: Il grande silenzio

Il verdetto: Hanno trovato zero eventi che corrispondevano ai loro criteri.

• L'aspettativa: Basandosi sui loro calcoli del rumore di fondo (incidenti casuali), si aspettavano di vedere un numero minuscolo di eventi (meno di uno, essenzialmente zero).
• La realtà: Ne hanno visti zero.

Questo è in realtà un buon risultato! Significa che il loro rivelatore funziona perfettamente e che i loro calcoli sul fondo sono accurati. Tuttavia, significa anche che nessuna nuova particella a vita lunga è stata trovata in questa ricerca specifica.

Cosa significa questo per la fisica

Dato che non hanno trovato le particelle, non hanno scoperto una nuova legge della fisica. Invece, hanno fatto qualcosa di ugualmente importante: hanno disegnato un cartello "Vietato l'ingresso".

• Stabilire limiti: Dato che non hanno trovato le particelle, possono affermare con il 95% di confidenza: "Se queste particelle fantasma esistono, non possono essere così pesanti, o non possono vivere così a lungo, o non possono essere prodotte così spesso."
• Escludere teorie: Hanno ora escluso un enorme pezzo della "mappa" dove queste particelle potrebbero essersi nascoste. Nello specifico, hanno escluso:
  • Scalari pesanti che decadono in bosoni $Z'$ con masse comprese tra 0,1 e 2,2 TeV.
  • Neutralini (dai modelli SUSY) con masse fino a 2,2 TeV, a condizione che vivano per una certa quantità di tempo (da 1 mm a 10.000 mm di percorso).

La conclusione

Pensate a questo documento come a una ricerca molto accurata di un gatto perduto in una casa.

• Gli scienziati hanno guardato in ogni stanza (il tracciatore interno).
• Hanno cercato le specifiche impronte del gatto (il vertice spostato di due leptoni).
• Hanno controllato le impronte false fatte dal cane (rumore di fondo).
• Risultato: Nessun gatto è stato trovato.

Conclusione: Il gatto non è in questa casa (o almeno, non nelle stanze specifiche e nelle dimensioni che stavano cercando). Questo dice ai futuri cacciatori di gatti (fisici) che devono cercare in case diverse, o forse il gatto è di un colore diverso da quello che pensavano. La ricerca continua, ma i "nascondigli facili" sono stati sgomberati.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Ricerca di Particelle a Lunga Vita Utilizzando Vertici Spostati di Leptoni di Carica Opposta

Problema e Motivazione
Le particelle a lunga vita (LLP) sono una previsione ben motivata in varie estensioni del Modello Standard (SM), inclusi i modelli Hidden Valley, la supersimmetria spezzata, la supersimmetria con violazione di parità R (RPV) e la rottura della SUSY mediata da gauge. Queste particelle possiedono spesso lunghezze di decadimento macroscopiche a causa di accoppiamenti piccoli, piccole separazioni di massa o simmetrie approssimate. Un LLP neutro che decade in una coppia di leptoni di carica opposta ($\mu^+\mu^-$, $e^+e^-$ o $e^\pm\mu^\mp$) produce un vertice spostato (DV) all'interno del sistema di tracciamento interno, una firma con un fondo SM minimo. Mentre le ricerche precedenti di ATLAS e CMS hanno mirato a LLP più leggeri o hanno utilizzato dataset parziali, questa analisi affronta la necessità di una ricerca completa utilizzando l'intero dataset Run-2 per sondare scale di massa più elevate e un intervallo più ampio di vite medie, inclusi i sapori misti di leptoni ($e\mu$) che non erano stati precedentemente presi di mira in questo specifico contesto da ATLAS.

Metodologia
L'analisi utilizza 140 fb$^{-1}$ di dati di collisione protone-protone raccolti dal rivelatore ATLAS a $\sqrt{s} = 13$ TeV tra il 2015 e il 2018. La ricerca mira a LLP neutri pesanti che decadono in coppie di dileptoni all'interno del rivelatore interno (ID).

• Ricostruzione: Per recuperare l'efficienza per le tracce originate da decadimenti spostati, l'analisi impiega sia l'algoritmo Standard Track (ST) sia l'algoritmo Large Radius Track (LRT). L'algoritmo LRT allenta i requisiti sugli parametri di impatto trasversale ($d_0$) e longitudinale ($z_0$) (fino a 300 mm e 1500 mm, rispettivamente) e consente un maggior numero di moduli al silicio condivisi. Un algoritmo dedicato di ricostruzione DV forma vertici da combinazioni di tracce ST e LRT, richiedendo nessun hit tra il vertice e il vertice primario (PV) e almeno un hit nel primo strato di pixel o SCT mentre la traccia emerge dal DV.
• Selezione degli Eventi: Gli eventi sono attivati utilizzando trigger "MS only" per muoni ($p_T > 60$ GeV) o trigger per fotoni (singolo fotone $p_T > 140$ GeV o diphoton $p_T > 50$ GeV) per evitare la dipendenza dalle informazioni sulle tracce dell'ID, che sono inefficienti per oggetti spostati. Gli eventi segnale richiedono un PV con almeno due tracce, un DV ricostruito con spostamento trasversale $R_{xy} > 2$ mm e un DV situato entro $R_{xy} < 300$ mm e $|z_{DV}| < 300$ mm. La massa invariante del dileptone deve superare i 12 GeV. Viene applicato un veto sui raggi cosmici per respingere coppie di muoni back-to-back.
• Stima del Fondo: I fondi SM derivanti da decadimenti prompt sono soppressi da requisiti cinematici e geometrici. I fondi rimanenti sono stimati dai dati:
  • Raggi Cosmici: Stimati utilizzando una regione di controllo con criteri di veto cosmico invertiti, estrapolando la distribuzione $\Delta R_{cos}$.
  • Incroci Casuali di Tracce: Stimati utilizzando un metodo di "mescolamento" di eventi "toy" in cui i leptoni da diversi eventi di dati sono combinati. Nessun DV di dileptone ricostruito è stato trovato in $10^6$–$10^8$ eventi toy per canale, stabilendo un limite superiore sulla probabilità di incrocio casuale.
• Modelli di Riferimento: I risultati sono interpretati in tre modelli:
  1. Modello $Z'$: Produzione in coppia di uno scalare pesante $S$ che decade in bosoni $Z'$ a lunga vita, che decadono in coppie di leptoni.
  2. Modello Gluino (RPV MSSM): Produzione in coppia di gluini ($\tilde{g}$) che decadono in quark e un neutralino a lunga vita ($\tilde{\chi}^0_1$), che decade tramite accoppiamenti RPV ($\lambda_{121}$ o $\lambda_{122}$) in $\ell^+\ell'^-\nu$.
  3. Modello EWkino (RPV MSSM): Produzione diretta di elettroweakini ($\tilde{\chi}^\pm_1\tilde{\chi}^0_1$, ecc.) dove il $\tilde{\chi}^0_1$ è l'LSP a lunga vita.

Contributi Chiave

• Dataset Completo Run-2: Questa è la prima analisi pubblicata di ATLAS a utilizzare l'intero dataset di 140 fb$^{-1}$ di Run-2 per una ricerca di vertici spostati di dileptoni.
• Copertura dei Sapori: È l'unica ricerca a includere simultaneamente vertici spostati per coppie di muoni, elettroni ed elettrone-muone.
• Indipendenza dal Modello: La selezione non richiede impulso trasversale mancante o getti e consente tracce aggiuntive nel DV, mantenendo la sensibilità a un'ampia gamma di modelli.
• Efficienza di Ricostruzione: L'inclusione di tracce LRT e criteri di identificazione modificati migliora significativamente l'efficienza di ricostruzione per i leptoni spostati rispetto alle analisi precedenti che si basavano esclusivamente su tracce standard o informazioni dello spettrometro a muoni.

Risultati
Non sono stati osservati eventi nella regione di segnale, in accordo con l'aspettativa di fondo. Vengono stabiliti limiti superiori sulle sezioni d'urto di produzione al livello di confidenza del 95% utilizzando il metodo $CL_s$.

• Modello $Z'$: Vengono stabiliti limiti per masse scalari ($m_S$) da 0,5 a 1,5 TeV e masse $Z'$ da 100 a 700 GeV. Per una $m_S$ fissa, i bosoni $Z'$ più leggeri sono vincolati a vite medie più lunghe, mentre i bosoni $Z'$ più pesanti sono vincolati a vite medie più brevi a causa degli impulsi cinematici.
• Modello Gluino: Per masse di gluino ($m_{\tilde{g}}$) da 1,5 a 2,5 TeV e masse di neutralino ($m_{\tilde{\chi}^0_1}$) da 0,1 a 1,7 TeV, l'analisi esclude porzioni significative dello spazio dei parametri di accoppiamento $\lambda_{121}$ e $\lambda_{122}$. Per $m_{\tilde{g}} = 1,5$ TeV, le vite medie ($c\tau$) da 1 a 10.000 mm sono escluse per la maggior parte delle masse di neutralino.
• Modello EWkino: Per masse di neutralino da 0,1 a 1,3 TeV, l'analisi esclude vite medie da 1 mm fino a diversi metri, a seconda della massa e dell'accoppiamento. Per $m_{\tilde{\chi}^0_1} \le 0,5$ TeV, l'intero intervallo di vite medie considerate (1–10.000 mm) è escluso.

Significato
Il documento afferma che questa analisi stabilisce limiti leader sulle sezioni d'urto di produzione per molteplici modelli, inclusi spazi dei parametri che non sono mai stati sondati direttamente. In particolare, fornisce i primi limiti su modelli di neutralino a lunga vita ad alta massa utilizzando modi di produzione di gluini ed elettroweakini con decadimenti in coppie di leptoni (con l'eccezione dei decadimenti di neutralini prodotti da gluini in muoni, presi di mira in una precedente ricerca basata solo sullo spettrometro a muoni). I risultati completano le ricerche precedenti estendendo la portata in massa e coprendo l'intero intervallo dei dati Run-2, offrendo un test robusto della SUSY RPV e di scenari generici $Z'$ nel regime di LLP pesanti.