Search for new physics using single-lepton events with high multiplicities of jets and b jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizzando 138 fb$^{-1}$ di dati di collisioni protone-protone a 13 TeV raccolti dal rivelatore CMS, questo studio ricerca la supersimmetria con violazione della parità R in eventi a singolo leptone con elevata molteplicità di jet e b-jet analizzando le masse dei jet a grande raggio, non trovando alcun eccesso significativo ed escludendo masse dei gluini inferiori a 1890 GeV con un livello di confidenza del 95%.

L'essenziale

Il Quadro Generale: A caccia di particelle "fantasma" in una macchina da flipper cosmica

Immaginate il Large Hadron Collider (LHC) al CERN come la macchina da flipper cosmica più potente del mondo. Gli scienziati fanno scontrare due flussi di protoni quasi alla velocità della luce. Di solito, questi urti creano una pioggia prevedibile di particelle che seguono le regole del "Modello Standard" (il libro delle regole della fisica che già conosciamo).

Ma a volte, il libro delle regole potrebbe essere incompleto. Questo articolo descrive una ricerca di nuova fisica — nello specifico, una teoria chiamata Supersimmetria (SUSY) — che potrebbe spiegare ciò che l'attuale libro delle regole non riesce a spiegare.

Il Mistero: Il problema dei "soldi mancanti"

In molte versioni della Supersimmetria, quando vengono create nuove particelle pesanti, esse decadono in una particella stabile e invisibile (come un candidato alla materia oscura). Poiché questa particella invisibile vola via senza colpire alcun rilevatore, appare come soldi mancanti in un conto bancario. Gli scienziati cercano solitamente questo "denaro mancante" (chiamato momento trasverso mancante) per trovare la nuova fisica.

Tuttove, questo articolo investiga una versione diversa della teoria chiamata Supersimmetria con violazione della parità R (RPV) SUSY.

• L'Analogia: Immaginate un rapinatore di banche che non si limita a rubare i soldi e svanire. Invece, ruba i soldi e li spende immediatamente tutti in oggetti visibili (come lingotti d'oro e gioielli) prima di scappare.
• Il Risultato: Non rimangono "soldi mancanti". Il ladro è andato via, ma la pila di oro e gioielli (le particelle) è enorme e molto evidente.

Poiché non c'è "denaro mancante" da cercare, gli scienziati hanno dovuto cambiare strategia. Hanno smesso di cercare lo spazio vuoto e hanno iniziato a cercare enormi pile di detriti.

La Strategia: Contare i detriti

Gli scienziati si sono concentrati su uno scenario specifico in cui una particella pesante chiamata gluino (pensate a una particella "collante" super-pesante) viene creata e poi esplode.

• L'Esplosione: Quando il gluino esplode, non crea solo qualche briciola; crea una tempesta caotica di jet (getti di particelle).
• I Dettagli: La teoria prevede che ogni esplosione crei un quark top, un quark bottom e un quark strange. I quark bottom sono come "pesanti lingotti d'oro" in questa tempesta.
• Il Segnale: Gli scienziati hanno cercato eventi con:
  1. Un Leptone: Un singolo elettrone o muone (come una singola scintilla distinta nella tempesta).
  2. Alta Molteplicità di Jet: Un enorme numero di getti di particelle (la tempesta stessa).
  3. Molti "b-jet": Molti di quei getti contenenti quark bottom pesanti (i lingotti d'oro).
  4. Nessuna Energia Mancante: Il "ladro" non è fuggito con alcun bottino invisibile.

Per misurare la dimensione di questa tempesta, hanno utilizzato uno strumento speciale chiamato $M_J$ (la somma delle masse di grandi cluster di particelle). Se esiste una nuova fisica, questo numero dovrebbe essere molto alto, creando una "montagna" di dati che non si adatta alle normali colline del background.

Il Metodo: Il lavoro investigativo "basato sui dati"

La parte più difficile di questo esperimento è sapere cosa sia "normale". Il rumore di fondo proviene da collisioni di particelle standard (come le coppie di quark top) che possono accidentalmente somigliare al segnale.

Invece di affidarsi interamente alle simulazioni al computer (che possono talvolta sbagliare riguardo alle "code" della distribuzione), il team ha utilizzato un approccio basato sui dati (data-driven):

1. Regioni di Controllo: Hanno esaminato aree dei dati dove sapevano che esisteva solo il rumore di fondo (come osservare una strada tranquilla per capire il suono del traffico).
2. Calibrazione: Hanno misurato come si comportava il background in queste aree tranquille e hanno usato queste misurazioni per prevedere come il background dovrebbe apparire nelle "Regioni di Segnale" (le strade affollate dove speravano di trovare la nuova fisica).
3. Il Fit: Hanno confrontato i dati reali nelle Regioni di Segnale rispetto alle loro previsioni.

I Risultati: Il silenzio dei Gluini

Dopo aver analizzato 138 unità di dati (una quantità enorme di storia delle collisioni raccolte tra il 2016 e il 2018), gli scienziati hanno scoperto che:

• Nessuna Sorpresa: I dati corrispondevano perfettamente alle previsioni del background. Non c'era una "montagna" di nuova fisica.
• L'Esclusione: Poiché non hanno visto il segnale, potevano escludere certe possibilità. Hanno concluso che, se questi specifici gluini esistono, devono essere più pesanti di 1.890 GeV (circa 2.000 volte più pesanti di un protone).
• La Conclusione: Qualsiasi gluino più leggero di quel valore è stato "escluso" (ovvero scartato) da questa ricerca.

Riassunto

Questo articolo è un gioco ad alta posta in gioco di "Dov'è Wally?" in una folla enorme di particelle. Il team ha cercato un tipo specifico di "ladro" (un gluino) che lascia dietro di sé una massiccia pila di prove visibili (jet e quark bottom) ma nessun bottino invisibile. Hanno controllato ogni angolo dei dati, hanno calibrato la loro ricerca usando esempi del mondo reale e non hanno trovato nulla. Di conseguenza, hanno dichiarato che, se queste particelle esistono, sono troppo pesanti per essere state catturate in questa specifica rete. La ricerca di versioni più leggere di queste particelle è andata a vuoto.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Ricerca di Nuova Fisica in Eventi con Singolo Leptone ad Alta Molteplicità di Jet a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema e Motivazione
Il Modello Standard (SM) descrive con successo le particelle fondamentali, ma non riesce a risolvere sfide teoriche quali le gerarchie di massa delle particelle e l'unificazione delle accoppiamenti di gauge. La Supersimmetria (SUSY) offre una potenziale soluzione, tuttavia le ricerche per la SUSY che conserva la parità R spesso si basano su firme con grande impulso trasverso mancante ($p^{\text{miss}}_T$), che sono assenti negli scenari che violano la parità R (RPV). Nei modelli RPV, la particella supersimmetrica più leggera (LSP) può decadere in particelle del SM, eliminando la firma di $p^{\text{miss}}_T$ e richiedendo strategie di ricerca alternative. Questo articolo affronta la ricerca della SUSY RPV, concentrandosi specificamente sulla produzione di coppie di gluini in cui i gluini decadono in quark top ($t$), bottom ($b$) e strange ($s$) tramite l'accoppiamento $\lambda''_{323}$ in un quadro di violazione minima del sapore. L'analisi mira a eventi con alta molteplicità di jet, alto numero di jet $b$ e un singolo leptone, senza richiedere un impulso trasverso mancante significativo.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore CMS al CERN LHC durante il periodo 2016–2018, corrispondenti a una luminosità integrata di 138 fb$^{-1}$ a un'energia nel centro di massa di 13 TeV.

• Selezione degli Eventi: Gli eventi sono selezionati richiedendo esattamente un elettrone o muone isolato ($N_{\text{lep}} = 1$), almeno quattro jet a raggio piccolo ($R=0.4$) e una somma scalare dei momenti trasversi dei jet ($H_T$) superiore a 1200 GeV. Un discriminante chiave è la somma delle masse dei jet a grande raggio ($M_J$), definita come la somma delle masse dei jet raggruppati con $R=1.2$ (inclusi il leptone selezionato). Viene applicato un requisito base di $M_J > 500$ GeV.
• Regioni di Analisi: La ricerca viene eseguita in bin di molteplicità di jet ($N_{\text{jet}}$) e del numero di jet con tag $b$ ($N_b$). Le regioni di segnale (SR) sono definite in bin ad alta $N_{\text{jet}}$ e alta $N_b$ (specificamente $N_{\text{jet}} \ge 8$ e $N_b \ge 3$), mentre le regioni di controllo (CR) con molteplicità inferiori sono utilizzate per vincolare le normalizzazioni del fondo.
• Stima del Fondo: I fondi dominanti sono la produzione di coppie di quark top ($t\bar{t}$), W+jets ed eventi QCD multijet. Viene impiegato un approccio basato sui dati in cui le normalizzazioni del fondo sono determinate tramite un fit simultaneo alla distribuzione di $M_J$ in tutti i bin.
  • Fattori $\kappa$: Per correggere le discrepanze tra simulazione e dati nella forma di $M_J$, vengono derivati fattori di correzione ($\kappa_1$ e $\kappa_2$) da campioni di controllo indipendenti per QCD multijet, W+jets e $t\bar{t}$. Questi fattori sono vincolati in un fit globale utilizzando l'alta statistica delle regioni a bassa $N_b$.
  • Normalizzazione: Le normalizzazioni di $t\bar{t}$ e QCD multijet sono trattate come parametri liberi vincolati dalle CR (incluse le regioni con $N_{\text{lep}}=0$ con requisiti di $N_{\text{jet}}$ traslati). La normalizzazione di W+jets è vincolata da un parametro globale attraverso tutti i bin.
• Incertezze Sistematiche: Le incertezze includono la scala/risoluzione dell'energia dei jet, l'efficienza di $b$-tagging, l'identificazione del leptone, il pileup e le variazioni di scala teorica. L'analisi affronta specificamente le potenziali dipendenze della forma di $M_J$ da $N_b$ (ad esempio, dallo splitting dei gluoni) assegnando incertezze separate per ogni bin di $N_b$.

Contributi Chiave

• Discriminante Innovativo: Il documento dimostra l'efficacia della somma delle masse dei jet a grande raggio ($M_J$) come variabile robusta per distinguere eventi di segnale ad alta molteplicità dai fondi del SM in assenza di $p^{\text{miss}}_T$.
• Modellazione del Fondo Basata sui Dati: Viene presentata una strategia raffinata in cui i fondi sono normalizzati separatamente in ogni bin di $N_b$. Ciò mitiga le incertezze sistematiche relative alla composizione del sapore dei jet e allo splitting dei gluoni, che erano fattori limitanti nelle analisi precedenti.
• Framework di Fit Comprensivo: L'uso di un fit di massima verosimiglianza binnato simultaneo attraverso i bin di $N_{\text{jet}}$, $N_b$ e $M_J$ consente l'estrazione simultanea delle normalizzazioni del fondo e delle correzioni di forma (fattori $\kappa$), massimizzando l'uso delle regioni di controllo per vincolare le regioni di segnale.

Risultati
Le rese di eventi osservate nelle regioni di segnale sono coerenti con le previsioni del fondo. Non si osserva alcun eccesso significativo di dati rispetto al fondo nella distribuzione di $M_J$.

• Limiti di Esclusione: Sulla base del risultato nullo, vengono stabiliti limiti superiori sulla sezione d'urto per prodotto di branching ratio al livello di confidenza (CL) del 95%.
• Limiti di Massa: Per il modello semplificato specifico di produzione di coppie di gluini ($\tilde{g}\tilde{g} \to tbs \, tbs$), sono esclusi i gluini con masse inferiori a 1890 GeV al 95% CL. Questo risultato migliora i limiti precedenti, inclusi quelli di ATLAS (1830 GeV) e i precedenti risultati di CMS.

Significatività
Questo lavoro fornisce un test rigoroso della supersimmetria che viola la parità R in un regime caratterizzato da alta molteplicità di jet e jet $b$ senza impulso trasverso mancante. Escludendo i gluini con masse fino a 1890 GeV, l'analisi restringe significativamente lo spazio dei parametri dei modelli di SUSY RPV a violazione minima del sapore. La metodologia, in particolare la stima del fondo basata sui dati utilizzando i template di $M_J$ e la normalizzazione binnata in $N_b$, offre un framework robusto per future ricerche di nuova fisica in stati finali ad alta molteplicità dove le tradizionali firme di energia mancante non sono applicabili. I risultati sono coerenti con il Modello Standard e rappresentano la ricerca più sensibile ad oggi per questa specifica topologia di decadimento del gluino.