Reinterpretation of searches for supersymmetry in models with variable R-parity-violating coupling strength using the full ATLAS Run 2 Dataset

Utilizzando l'intero dataset Run 2 di ATLAS (140 fb⁻¹), questo lavoro reinterpreta tredici ricerche di supersimmetria per stabilire limiti di massa sui gluini, stop, stau e higgsini in modelli con accoppiamento di violazione di R-parità variabile, dimostrando una sensibilità migliorata sia alle particelle a vita breve che a quelle a vita lunga.

L'essenziale

Il Caccia al Tesoro dell'Universo: Quando le Particelle "Fuggono" o "Scompaiono"

Immagina l'Universo come una gigantesca casa con molte stanze. Noi sappiamo che ci sono i mobili principali (le particelle che conosciamo, come elettroni e protoni), ma sospettiamo che ci siano anche mobili nascosti o fantasmi che non vediamo mai. Questi sono i supersimmetrici (o "SUSY"), particelle ipotetiche che potrebbero essere la "doppia" di quelle che già conosciamo, ma molto più pesanti.

Per trovare questi mobili nascosti, il CERN (il laboratorio europeo dove si trova l'acceleratore di particelle LHC) fa un esperimento gigantesco: fa scontrare due treni ad alta velocità (protoni) per vedere cosa salta fuori dai detriti. È come se due orologi venissero schiantati l'uno contro l'altro per vedere se, tra gli ingranaggi rotti, ne esce uno nuovo e misterioso.

Il Problema: Il "Fantasma" che non vuole essere visto

Fino a poco tempo fa, gli scienziati cercavano questi nuovi mobili con una regola precisa: se trovavano un "fantasma" (la particella più leggera, chiamata LSP), questo doveva essere immortale. Una volta creato, doveva scappare via dalla casa senza mai fermarsi, lasciando solo un "buco" nel bilancio energetico (come se un ladro rubasse qualcosa e sparisse nel nulla). Questo si chiama R-parità conservata.

Ma cosa succede se il fantasma non è immortale?
Immagina che il fantasma, invece di scappare via subito, decida di:

1. Fermarsi un attimo prima di sparire (vive un po' e poi decade).
2. Sparire immediatamente trasformandosi in oggetti normali (come se il fantasma si trasformasse in una sedia prima di uscire).
3. Rimanere invisibile per un tempo lunghissimo, uscendo dalla casa solo dopo aver fatto un giro nel giardino.

Questo documento parla proprio di questi scenari "variabili". Gli scienziati ATLAS hanno preso tredici ricerche precedenti (che cercavano solo i fantasmi immortali o quelli che sparivano subito) e le hanno "rilette" (reinterpretate) chiedendosi: "E se il fantasma avesse una vita intermedia? Cosa succede se il suo tempo di vita cambia?"

La Metafora del "Cambio di Abito"

Pensa a un attore che entra in scena.

• Scenario A (R-parità conservata): L'attore entra, fa una cosa strana e poi esce di scena correndo via per sempre. Noi lo vediamo solo perché manca all'appello.
• Scenario B (R-parità violata): L'attore entra, ma invece di uscire, si toglie la maschera e diventa un attore normale (un elettrone o un quark). Noi lo vediamo perché è lì, ma è cambiato.
• Scenario C (Vita lunga): L'attore entra, cammina per il palco per un po' (decine di centimetri o metri), e solo alla fine si toglie la maschera.

Il punto di forza di questo lavoro è che hanno guardato tutti questi scenari insieme, variando la "velocità" con cui l'attore cambia abito (la forza dell'accoppiamento RPV).

Cosa hanno scoperto? (I Risultati)

Usando i dati raccolti tra il 2015 e il 2018 (un'enorme quantità di "film" degli scontri), hanno messo dei limiti precisi. È come dire: "Non abbiamo trovato questi fantasmi, quindi se esistono, devono essere più pesanti di quanto pensavamo".

Ecco le loro scoperte principali, tradotte in linguaggio semplice:

1. I "Giganti" (Gluini): Hanno cercato particelle pesantissime chiamate gluini.

   • Se il "fantasma" scappa subito, il gluino deve pesare almeno 1,800 volte quanto un protone (1,8 TeV).
   • Se il "fantasma" si trasforma subito in quark, il gluino deve pesare tra 1,6 e 2,2 volte il protone.
   • In pratica: Se i gluini esistono, sono molto più pesanti di quanto speravamo, e non li abbiamo ancora visti.

2. I "Fratelli del Top" (Stop): Hanno cercato i partner del quark "top".

   • Se il partner si trasforma subito, deve pesare fino a 2,4 volte il protone.
   • Se il partner scappa un po' prima di trasformarsi, il limite scende a circa 1,0 - 1,7 volte il protone.
   • Curiosità: C'è una "zona d'ombra" (quando il tempo di vita è intermedio) dove è più difficile vederli, ma hanno comunque coperto quasi tutto lo spettro.

3. I "Fratelli del Tau" (Stau) e i "Fratelli di Higgs" (Higgsini):

   • Per le particelle leggere (come i tau-sleptoni), hanno escluso masse tra 180 e 340 GeV se il fantasma è molto veloce a trasformarsi.
   • Per gli higgsini (particelle legate al bosone di Higgs), hanno escluso masse fino a 800 GeV - 1 TeV se il fantasma si trasforma subito.

Perché è importante?

Prima di questo studio, gli scienziati guardavano solo la porta d'ingresso (particelle che scappano subito) o la finestra (particelle che scappano per sempre). Questo lavoro ha guardato tutte le finestre, le porte, i camini e i tunnel segreti.

Hanno dimostrato che anche se le particelle hanno comportamenti strani (vivono a lungo, si spostano prima di decadere), i nostri rivelatori sono abbastanza bravi da vederle, o almeno a dire: "Se ci sono, devono essere qui fuori, e pesano almeno tanto".

In sintesi: Non abbiamo ancora trovato la "Super-Simmetria", ma abbiamo stretto molto il cerchio. Sappiamo ora che se queste particelle esistono, non possono essere "leggere" o comportarsi in modo troppo banale. Hanno eliminato molte possibilità, costringendo i teorici a ripensare i loro modelli o a cercare particelle ancora più pesanti e elusive. È come se avessimo controllato ogni armadio della casa e detto: "Il fantasma non è qui, quindi se c'è, deve essere nascosto in una stanza che non abbiamo ancora esplorato, ed è molto pesante!".

Sommario tecnico

Titolo

Riinterpretazione delle ricerche di supersimmetria in modelli con accoppiamento variabile di violazione della R-parità utilizzando l'intero dataset Run 2 di ATLAS

1. Il Problema

La Supersimmetria (SUSY) è una delle estensioni più promettenti del Modello Standard (SM). Tradizionalmente, le ricerche di SUSY al Large Hadron Collider (LHC) si sono basate sull'assunzione della conservazione della R-parità (RPC), dove la particella supersimmetrica più leggera (LSP) è stabile e sfugge al rivelatore, producendo un segnale di momento trasverso mancante ($E_T^{miss}$).

Tuttavia, in scenari con violazione della R-parità (RPV), l'LSP è instabile e decade in particelle del Modello Standard. La vita media dell'LSP ($\tau_{LSP}$) dipende dalla forza dell'accoppiamento RPV ($\lambda, \lambda', \lambda''$):

• Accoppiamenti grandi: Decadimenti prompt (simili a RPC ma senza $E_T^{miss}$).
• Accoppiamenti intermedi: L'LSP è a vita lunga (LLP - Long-Lived Particle) e decade a una distanza misurabile all'interno del rivelatore.
• Accoppiamenti piccoli: L'LSP è quasi stabile e sfugge al rivelatore (simile a RPC).

Il problema affrontato è che la regione intermedia (decadimenti a vita lunga) è stata storicamente poco vincolata dalle ricerche standard, che sono ottimizzate o per segnali prompt o per segnali di stabilità totale. Questo lavoro mira a colmare tale lacuna reinterpretando le ricerche esistenti per coprire l'intero spettro di accoppiamenti RPV.

2. Metodologia

La collaborazione ATLAS ha riutilizzato 13 ricerche SUSY pubblicate basate sui dati del Run 2 (2015-2018), corrispondenti a una luminosità integrata di 140 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

• Modelli di Segnale: Sono stati considerati sei modelli semplificati RPV che coprono diverse topologie di decadimento e produzione (gluini, stop, stau, higgsini). I modelli variano in base all'accoppiamento RPV non nullo ($\lambda'_{111}, \lambda''_{112}, \lambda''_{323}, \lambda_{i33}$) e alla massa dell'LSP (bino-like o higgsino-like).
• Framework di Riinterpretazione:
  • È stato utilizzato il framework RECAST per preservare l'intero flusso di lavoro dell'analisi originale (selezione eventi, stime di fondo, modelli statistici).
  • Per alcuni casi, è stato riutilizzato direttamente il codice originale dell'analisi.
  • È stata impiegata la simulazione completa del rivelatore ATLAS basata su Geant4, fondamentale per modellare correttamente le efficienze di ricostruzione degli oggetti dislocati (decadimenti a vita lunga), che non possono essere catturate da approssimazioni di livello superiore.
• Gestione delle Incertezze Sistematiche:
  • Sono state introdotte incertezze sistematiche dedicate per gli oggetti dislocati (jet, b-tagging, tau, $E_T^{miss}$).
  • In particolare, è stata studiata la risposta del calorimetro per jet dislocati e l'efficienza di b-tagging in funzione della distanza di decadimento, poiché gli algoritmi standard sono ottimizzati per vertici primari.
• Analisi Statistica: I limiti sono stati stabiliti al 95% di livello di confidenza (CL) utilizzando il rapporto di verosimiglianza (profile likelihood-ratio) e la procedura CLs.

3. Contributi Chiave

• Copertura Completa degli Accoppiamenti: Per la prima volta, un'analisi unificata copre l'intero range di forza degli accoppiamenti RPV, dai valori che producono LSP stabili (simili a RPC) fino a quelli che causano decadimenti prompt, passando per la regione critica dei decadimenti a vita lunga.
• Sensibilità agli LLP: L'integrazione di ricerche specifiche per particelle a vita lunga (come DV+jets e Displaced Lepton) insieme alle ricerche standard ha permesso di vincolare regioni di parametro precedentemente inesplorate.
• Validazione delle Simulazioni: L'uso della simulazione Geant4 completa e lo sviluppo di incertezze sistematiche specifiche per oggetti dislocati hanno migliorato l'affidabilità dei limiti posti in scenari non prompt.
• Estensione del Dataset: Estensione dei precedenti lavori di riinterpretazione (basati sui dati Run 1) all'intero dataset Run 2, aumentando significativamente la potenza statistica.

4. Risultati Principali

I limiti di esclusione sono stati ottenuti per diverse masse di particelle supersimmetriche in funzione della vita media dell'LSP e dell'accoppiamento RPV:

• Gluini ($\tilde{g}$):
  • Nel modello con decadimenti in stati finali arricchiti di quark top ($Gtt$), la massa dei gluini è esclusa fino a 1.8 TeV indipendentemente dal valore dell'accoppiamento RPV.
  • Nel modello con decadimenti in quarks di prima/seconda generazione ($Gqq+UDD$), le masse dei gluini sono escluse fino a 1.6–2.2 TeV (e fino a 2.5 TeV per certi valori di $\lambda''$).
  • Per il modello $Gqq+LQD$, le masse sono escluse fino a 2.2 TeV per una vita media dell'LSP di circa 100 ns.
• Stop ($\tilde{t}_1$):
  • Le masse degli stop sono escluse fino a 2.4 TeV per valori elevati di $\lambda''_{323}$.
  • Per valori bassi e intermedi di $\lambda''$, i limiti variano tra 1.0 e 1.7 TeV.
• Stau ($\tilde{\tau}$):
  • Le masse degli stau sono escluse nell'intervallo 180–340 GeV per accoppiamenti $\lambda$ inferiori a $10^{-4}$.
  • La sensibilità cala drasticamente per $10^{-3} \le \lambda_{233} \le 10^{-1}$ a causa della perdita di efficienza nella selezione di $E_T^{miss}$ e leptoni.
• Higgsini ($\tilde{\chi}^0_1, \tilde{\chi}^\pm_1$):
  • Le masse degli higgsini sono escluse fino a 800 GeV – 1.0 TeV quando l'accoppiamento $\lambda_{i33}$ è maggiore di $4 \times 10^{-5}$.
  • Non sono stati stabiliti limiti per valori di $\lambda_{i33} < 3 \times 10^{-6}$.

5. Significatività

Questo lavoro rappresenta un passo avanti fondamentale nella ricerca di nuova fisica al LHC:

1. Universalità: Dimostra che le ricerche SUSY ottimizzate per scenari specifici (RPC o RPV prompt) mantengono una sensibilità significativa anche per una vasta gamma di scenari RPV non previsti, inclusi quelli con particelle a vita lunga.
2. Chiusura del "Gap" degli LLP: Colma la lacuna sperimentale nella regione degli accoppiamenti intermedi, dove le particelle decadono all'interno del volume del rivelatore ma non in modo prompt, una regione spesso trascurata.
3. Metodologia Robusta: Stabilisce un nuovo standard per la riinterpretazione dei dati SUSY, dimostrando come l'uso di simulazioni complete e la corretta gestione delle sistematiche per oggetti dislocati siano essenziali per ottenere limiti affidabili su modelli complessi.
4. Impatto Teorico: I risultati forniscono vincoli stringenti su modelli di SUSY naturale (naturalness) che prevedono higgsini o stop leggeri, indipendentemente dal meccanismo di violazione della R-parità.

In sintesi, lo studio estende in modo significativo la copertura della ricerca SUSY di ATLAS, fornendo limiti di massa più severi e completi per una classe diversificata di modelli RPV, rafforzando la capacità del LHC di testare scenari di fisica oltre il Modello Standard.