Search for charginos and neutralinos with $B-L$ $R$-parity violating decays in $\sqrt{s}=13$ TeV and $13.6$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

L'esperimento ATLAS ha analizzato 140 fb$^{-1}$ di dati di collisione protone-protone a 13 TeV e 56 fb$^{-1}$ a 13,6 TeV per cercare chargini e neutralini che decadono tramite accoppiamenti che violano la parità $R$ di $B-L$ in bosoni di Higgs e leptoni, non trovando alcuna evidenza di nuova fisica e fissando limiti di esclusione al livello di confidenza del 95% sulle masse di chargini e neutralini fino a 1100 GeV.

L'essenziale

Immagina il Large Hadron Collider (LHC) come il "frantumatore di particelle" più potente al mondo. Frantuma protoni minuscoli l'uno contro l'altro a una velocità prossima a quella della luce, creando un'esplosione caotica di energia. Di solito, questa energia si trasforma in particelle che conosciamo e comprendiamo, come elettroni e quark. Ma i fisici sospettano che, nascosti in questo caos, vi siano i "superpartner": gemelli spettrali e più pesanti delle particelle che conosciamo, previsti da una teoria chiamata Supersimmetria (SUSY).

Questo articolo è una relazione dell'esperimento ATLAS, un gigantesco rivelatore posto all'LHC che funge da una telecamera ad alta velocità a 360 gradi, intenta a cercare di cogliere un'occhiata a questi gemelli spettrali. Nello specifico, il team era alla ricerca di due tipi di superpartner: chargini e neutralini.

Il Mistero: La regola della "R-parità"

In molte versioni di questa teoria, esiste una regola chiamata R-parità. Pensa alla R-parità come a un buttafuori severo in un club.

• Le particelle normali (come gli elettroni) hanno un "valore R" di +1.
• I superpartner hanno un "valore R" di -1.
• La Regola: Se la R-parità è conservata, i superpartner devono essere creati in coppie e non possono mai decadere in sole particelle normali. Il superpartner più leggero sarebbe stabile e invisibile, sfuggendo al rivelatore come un fantasma.

Tuttavia, questo articolo esplora uno scenario diverso: la violazione della R-parità (RPV). Immagina che il buttafuori si stanchi e lasci scivolare fuori i superpartner, permettendo loro di decadere direttamente in particelle normali. In questo modello specifico, si prevede che i chargini e i neutralini decadano in un bosone di Higgs (una famosa particella che conferisce massa alle altre) e un leptone (un elettrone, un muone o un tau).

La Caccia: Trovare la "Firma dell'Higgs"

Il team ATLAS ha predisposto una trappola molto specifica per catturare questi decadimenti. Sapevano che se un chargino o un neutralino decadeva in un bosone di Higgs, quest'ultimo si sarebbe quasi immediatamente diviso in due quark bottom (che si manifestano come "getti" di particelle nel rivelatore).

Quindi, la strategia di ricerca era come cercare un pattern specifico in una stanza disordinata:

1. I Leptoni: Hanno cercato eventi con uno o due elettroni o muoni ad alta energia (i "leptoni" provenienti dal decadimento).
2. I Gemelli dell'Higgs: Hanno cercato almeno tre "getti" etichettati come provenienti da quark bottom. Poiché il segnale coinvolge il decadimento di due superpartner, si aspettavano di vedere due bosoni di Higgs, il che significa quattro getti di quark bottom.
3. Il Pezzo Mancante: In alcuni scenari, viene prodotto anche un neutrino (una particella invisibile), che porta via una certa quantità di energia. Il rivelatore misura questo come "momento trasverso mancante".

I Dati: Una Massiccia Biblioteca di Collisioni

Il team ha analizzato una massiccia biblioteca di dati:

• Periodo temporale: Collisioni dal 2015 al 2023.
• Energia: Due diversi livelli di energia (13 TeV e 13,6 TeV).
• Volume: Hanno esaminato 196 "femtobarn inversi" di dati. Per visualizzare ciò, immagina di scattare una fotografia di ogni singola collisione avvenuta durante quegli anni. È un dataset così vasto che ci vorrebbero anni a un supercomputer per elaborarlo senza gli strumenti specializzati costruiti da ATLAS.

I Risultati: I Fantasmi Rimangono Nascosti

Dopo aver setacciato milioni di eventi, il team non ha trovato alcuna evidenza di questi chargini o neutralini.

• Il Confronto: Hanno confrontato ciò che hanno visto nei dati con quanto previsto dal Modello Standard (la nostra attuale migliore teoria della fisica). I dati corrispondevano perfettamente alle previsioni del Modello Standard. È come cercare un tipo specifico di alieno in una foresta e trovare solo cervi, alberi e uccelli: esattamente ciò che ci si aspetterebbe di vedere.
• L'Esclusione: Poiché non hanno trovato le particelle, hanno potuto tracciare un "recinto" attorno a dove queste particelle non possono essere. Hanno concluso che, se questi chargini e neutralini esistono e decadono in questo modo, devono essere più pesanti di 1.100 GeV (circa 1.100 volte la massa di un protone). Se fossero stati più leggeri di così, il rivelatore ATLAS li avrebbe visti finora.

La Conclusione

L'articolo conclude che, per lo scenario specifico in cui questi superpartner decadono in bosoni di Higgs e leptoni, le versioni "leggere" (tra 150 e 1.100 GeV) non esistono.

In termini semplici: il team ATLAS ha cercato con grande impegno un tipo specifico di particella pesante e spettrale che viola le solite regole della fisica. Non hanno trovato nulla se non il rumore di fondo atteso. Sebbene questo non dimostri che queste particelle non esistano affatto, ci dice che sono o molto più pesanti di quanto pensassimo, o non decadono nel modo previsto da questa specifica teoria. La ricerca della "nuova fisica" continua, ma questa particolare porta rimane chiusa per ora.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Ricerca di Chargini e Neutralini con Decadimenti che Violano la Parità $R$ nel Modello $B-L$ in Collisioni $pp$a$\sqrt{s}=13$ TeV e 13.6 TeV con il Rivelatore ATLAS

Problema e Motivazione
La Supersimmetria (SUSY) offre una soluzione al problema della gerarchia all'interno del Modello Standard (SM), ma l'intero spazio dei parametri consente la violazione del numero barionico ($B$) e leptonico ($L$). Sebbene la conservazione della parità $R$ sia spesso imposta per prevenire il rapido decadimento del protone, esistono teorie fenomenologicamente valide che violano la parità $R$ (RPV). Nello specifico, il Modello Standard Supersimmetrico Minimo $B-L$ introduce una simmetria di gauge $U(1)_{B-L}$ e neutrini sterili destri. In questo quadro, la rottura spontanea di $U(1)_{B-L}$ viola il numero leptonico, permettendo ai superpartner di decadere direttamente in particelle del Modello Standard.

Questo lavoro mira a uno scenario specifico che coinvolge una particella supersimmetrica più leggera (LSP) di tipo wino e una particella supersimmetrica prossima alla più leggera (NLSP). In questo modello, il chargino ($\tilde{\chi}^\pm_1$) e il neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$) sono quasi degeneri in massa (splitting $< 200$ MeV), il che sopprime i decadimenti standard che conservano la parità $R$. Invece, queste particelle subiscono decadimenti RPV prompt principalmente in un bosone di Higgs ($h$) e un leptone ($\ell$) o un neutrino ($\nu$): $\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ e $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$. Le precedenti ricerche ATLAS hanno preso di mira decadimenti RPV in bosoni $Z$ o squark top; questa analisi fornisce sensibilità complementare concentrandosi sul canale di decadimento del bosone di Higgs ($h \to b\bar{b}$), una regione dello spazio delle fasi precedentemente meno esplorata per questi specifici modi di produzione degli elettrodebolini.

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore ATLAS al Large Hadron Collider (LHC) tra il 2015 e il 2023. Il dataset comprende una luminosità integrata di 196 fb$^{-1}$, suddivisa tra 140 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}=13$ TeV (Run 2) e 56 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}=13.6$ TeV (Run 3).

• Topologia del Segnale: La ricerca mira alla produzione in coppia elettrodebole ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$) e alla produzione associata ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$).
  • Il canale $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ risulta in uno stato finale con due leptoni di segno opposto e due bosoni di Higgs (quattro getti $b$).
  • Il canale $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ risulta in un leptone, due bosoni di Higgs (quattro getti $b$) e momento trasverso mancante ($E_T^{\text{miss}}$) dovuto al neutrino.
• Selezione degli Eventi: Gli eventi devono avere almeno quattro getti, di cui almeno tre identificati come getti $b$-taggati utilizzando l'algoritmo GN2. La selezione dei leptoni richiede elettroni o muoni ad alto $p_T$ ($p_T > 40$ GeV).
  • Regione a Due Leptoni (SR2$\ell$): Richiede due leptoni di segno opposto. L'analisi ricostruisce due candidati bosone di Higgs e due candidati chargino. La variabile $A_C$ (asimmetria di massa tra i due candidati chargino ricostruiti) è utilizzata per sopprimere il fondo.
  • Regione a Un Leptone (SR1$\ell$): Richiede un leptone e un significativo $E_T^{\text{miss}}$. La massa del neutralino è ricostruita tramite la massa trasversa ($m_{N,T}$) utilizzando un candidato Higgs e $E_T^{\text{miss}}$.
• Stima del Fondo: Il fondo dominante è la produzione di coppie di quark top ($t\bar{t}$), in particolare $t\bar{t}$ con getti di sapore pesante ($t\bar{t}+b$). Le normalizzazioni del fondo sono derivate dai dati utilizzando regioni di controllo (CR) che invertono specifici criteri di selezione del segnale (ad esempio, finestre di massa del Higgs o variabili cinematiche). Le regioni di validazione (VR) confermano l'estrapolazione dei modelli di fondo.
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di verosimiglianza profilo utilizzando il framework pyhf. Le incertezze sistematiche (sperimentali, teoriche e statistiche MC) sono trattate come parametri di disturbo. I limiti sono fissati al livello di confidenza del 95% (CL) utilizzando la prescrizione $CL_s$.

Contributi Chiave

1. Primi Vincoli sul Canale Higgs RPV: Questo lavoro presenta i primi vincoli di ricerca sulla produzione di chargini e neutralini in cui il modo di decadimento dominante è in un bosone di Higgs e un leptone/neutrino nel quadro del $B-L$ MSSM.
2. Avanzato $b$-tagging: L'analisi sfrutta l'algoritmo di $b$-tagging basato su transformer GN2, che offre un migliore rifiuto del fondo rispetto agli algoritmi precedenti, cruciale per isolare il segnale $h \to b\bar{b}$.
3. Combinazione dei Dati Run 2 e Run 3: L'analisi integra i dati sia dalla Run 2 dell'LHC (13 TeV) che dalla Run 3 (13.6 TeV), sfruttando l'aumento di luminosità ed energia per sondare intervalli di massa più elevati.
4. Limiti Specifici per Sapore: Oltre alla consueta assunzione di frazioni di ramificazione uguali per tutti i sapori leptonici, l'analisi deriva limiti specifici per scenari puri di elettroni, muoni e tau, dimostrando l'impatto dell'efficienza di ricostruzione dei leptoni sulla sensibilità.

Risultati
I dati osservati sono coerenti con le previsioni del Modello Standard in tutte le regioni di segnale. Non è stato osservato alcun eccesso significativo di eventi.

• Limiti Indipendenti dal Modello: Sono stati fissati limiti superiori sulla sezione d'urto visibile per processi oltre il Modello Standard in quattro "regioni di scoperta" (SR2$\ell$, SR2$\ell$700, SR1$\ell$, SR1$\ell$600).
• Esclusioni Dipendenti dal Modello:
  • Per lo scenario in cui chargini e neutralini decadono con frazione di ramificazione del 100% rispettivamente in $h\ell$ e $h\nu$, e assumendo frazioni di ramificazione uguali per i sapori elettrone, muone e tau, chargini e neutralini con masse comprese tra 150 GeV e 1100 GeV sono esclusi al 95% CL.
  • Per l'ipotesi puramente elettronica, le masse comprese tra 150 GeV e 1225 GeV sono escluse.
  • Per l'ipotesi puramente muonica, le masse comprese tra 150 GeV e 1150 GeV sono escluse.
  • Per l'ipotesi puramente tauonica, le masse comprese tra 450 GeV e 750 GeV sono escluse. La minore sensibilità per il canale tau è attribuita alla difficoltà nel ricostruire tau che decadono adronicamente e alla perdita di energia nei decadimenti tau leptonici, che spesso comporta che i leptoni figli scendano al di sotto della soglia $p_T$.

Significato
Il lavoro afferma che questi risultati forniscono i primi vincoli sul modello di segnale semplificato per chargini e neutralini che decadono tramite bosoni di Higgs nel contesto della violazione della parità $R$ $B-L$. L'esclusione di masse fino a 1100–1225 GeV (a seconda dell'ipotesi di sapore) estende significativamente la portata delle ricerche precedenti che prendevano di mira decadimenti in bosoni $Z$ (che escludevano masse fino a ~975 GeV). L'analisi dimostra che il canale di decadimento del Higgs, nonostante la molteplicità di getti $b$ e l'ambiente di fondo impegnativi, offre una sonda potente e complementare per la produzione di elettrodebolini in scenari RPV. I risultati sono interpretati come limiti su sezioni d'urto indipendenti dal modello e su specifici parametri del Modello Standard Supersimmetrico Minimo, contribuendo allo sforzo più ampio di vincolare lo spazio dei parametri della SUSY.