Searches for strong production of supersymmetric particles with the ATLAS detector

技術要約：ATLAS検出器による強力な超対称粒子の生成に関する探索

問題と動機
標準模型（SM）は精密であるにもかかわらず、階層性問題、基本的相互作用の統一の欠如、およびダークマター候補の不在といった未解決の問題が残されている。超対称性（SUSY）は、すべてのSM粒子に対してその超対称パートナーを仮定することで、これらの問題に対処する理論的枠組みを提供する。最小超対称標準模型（MSSM）において、Rパリティの保存は最軽量超対称粒子（LSP）の安定性を保証し、通常、最軽量中性子（$\tilde{\chi}^0_1$）は実行可能なダークマター候補となる。

自然性の議論は、グルオンの超対称パートナー（グラウイノ、$\tilde{g}$）および第3世代クォークの超対称パートナー（特にストップ、$\tilde{t}_1$）が、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で生成されるのに十分な軽さを持つことを示唆している。古典的なMSSMシナリオはますます厳格な質量境界に直面しているが、非最小な粒子内容やフレーバー構造を含む変種も依然として重要な関心の対象である。本論文では、ATLASコラボレーションによる、これらの粒子の強力な生成を標的とした最近の探索の集計を提示する。

手法およびデータセット
解析には、ATLAS検出器によって収集された、重心エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeV（Run 2, 2015–2018年, $\sim$140 fb$^{-1}$）および $\sqrt{s} = 13.6$ TeV（部分的なRun 3, 2022–2023年, 51.8 fb$^{-1}$）の陽子・陽子衝突データが用いられている。探索は、ジェット、レプトン（ハドロン的に崩壊する$\tau$レプトンを含む）、および安定なLSPの存在を示す顕著な欠損横運動量（$E^{\text{miss}}_T$）を特徴とする最終状態に焦点を当てている。

以下の4つの異なる探索戦略が詳述されている：

1. ストップ対生成 ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to t\bar{t}\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$)：

   • 崩壊モード： 二体崩壊（大きな質量差、$\Delta m > m_t$）と三体崩壊（中間的な質量差、$m_W < \Delta m < m_t$）の両方をカバーする。
   • 最終状態： 孤立した1つのレプトン、ジェット、および $E^{\text{miss}}_T$。
   • 戦略： イベントは「resolved」（低$p_T$のトップ、 $E^{\text{miss}}_T > 230$ GeV）領域と「boosted」（高$p_T$のトップ、large-Rジェット）領域に分類される。信号領域（SR）はbジェットの多重度とトップタギングによって定義される。信号/背景の識別能を高めるためにニューラルネットワーク（NN）が採用されている。背景事象（$t\bar{t}$、シングルトップ、$W$+jets）は、制御領域（CR）および横質量（$m_T$）やレプトンの電荷などの運動学的変数を用いて推定される。

2. フレーバー違反を伴うストップ対生成 ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to tc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$)：

   • モデル： $\tilde{t}_1$ が $t\tilde{\chi}^0_1$ または $c\tilde{\chi}^0_1$ に等しく崩壊する非最小フレーバー違反（MFV）を調査する。
   • 最終状態： 1つのbタグ付きジェット、1つのcタグ付きジェット、レプトンなし、および大きな $E^{\text{miss}}_T$。
   • 戦略： チャームジェットを識別するための特殊なcタグ付けアルゴリズム（DL1rに基づく）を利用する。位相空間は「bulk」、「intermediate」（boosted/resolved）、および「compressed」領域に分割される。圧縮シナリオでは、初期状態放射（ISR）ジェットとNNの訓練が感度の向上に使用される。

3. ストップおよびチャームスクォーク生成 ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1, \tilde{c}_1\tilde{c}_1 \to cc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$)：

   • モデル： チャームスクォーク（$\tilde{c}_1$）が他のスクォークよりも軽い可能性がある最小フレーバー違反を標的とする。
   • 最終状態： 2つのcタグ付きジェット、レプトンなし、および $E^{\text{miss}}_T$。
   • 戦略： 高質量領域（$m \gtrsim 600$ GeV）および圧縮領域（$\Delta m < 175$ GeV）を調査する。圧縮領域は、高運動量のISRジェットと再帰的ジグソー再構成（RJR）に依存し、背景を抑制するために主要なジェットがcタグ付けされていないことが要求される。

4. グラウイノおよびスクォーク対生成 ($\tilde{g}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{q}$)：

   • 崩壊モード： $\tau$スレプトン（$\tilde{\tau}$）および$\tau$スネ Neutrino（$\tilde{\nu}_\tau$）への崩壊を含む。
   • 最終状態： $\tau$およびレプトン含有量に基づいた3つのチャネル（1$\tau$0lep、1$\tau$1lep、2$\tau$）がある。
   • 戦略： $E^{\text{miss}}_T$ 変数を用いた伝統的な「カットアンドカウント」法と、背景事象（$W/Z$+jets、ダイボソン、トップ、フェイク$\tau$）に対する多クラス分類のためのブーステッド決定木（BDT）を用いた機械学習アプローチの2つを比較する。

主な結果
解析されたどのチャネルにおいても、期待されるSM背景事象に対して有意な過剰は観察されなかった。その結果、95%信頼区間（CL）での排除限界が設定された：

• ストップ対 ($t\bar{t} + E^{\text{miss}}_T$)： シングルレプトン解析は、小さな質量差の領域における感度を向上させる。ゼロレプトンの結果と組み合わせることで、トップスクォーク質量は（質量のない $\tilde{\chi}^0_1$ の場合）1230 GeVまで、中性子質量は570 GeVまで排除される。
• フレーバー違反を伴うストップ対 ($tc + E^{\text{miss}}_T$)： トップスクォーク質量は（質量のない $\tilde{\chi}^0_1$ の場合）800 GeVまで、圧縮シナリオでは600 GeVまで排除される。この結果は、ダークマターをSMクォークに結合させる新しい媒介粒子を1.2 TeVまで排除するように再解釈される。
• ストップ/チャームスクォーク対 ($cc + E^{\text{miss}}_T$)： トップ/チャームスクォーク質量は（質量のない $\tilde{\chi}^0_1$ の場合）約900 GeVまで排除され、これは従来のATLASの限界よりも約100 GeVの改善を示している。
• グラウイノおよびスクォーク対：
  • グラウイノ質量は、中性子が最大1.35 TeV（$m_{\tilde{g}} \approx 2$ TeVの場合）である条件下で、2.25 TeVまで排除される。
  • スクォーク質量は、中性子が最大0.85 TeVである条件下で、1.7 TeVまで排除される。
  • 機械学習アプローチは、より高いグラウイノ/スクォーク質量およびより大きな中性子質量に対して優れた感度を示し、カットアンドカウント法は、イベント収量と専用の選択により、圧縮位相空間においてより優れた性能を発揮する。

意義および主張
本論文は、非最小フレーバー違反や圧縮スペクトルを含む、新しい崩壊モードや運動学的領域への超対称性粒子の強力な生成の探索を拡張した、ATLAS実験の最新の結果を提示することを主張している。その意義は以下の通りである：

1. 探索範囲の拡大： 古典的なMSSMシナリオを超え、非最小フレーバー違反や圧縮スペクトルの包含へと進展させたこと。
2. 技術的進歩： 複雑な最終状態における信号/背景の識別能を向上させるための、cタグ付けアルゴリズムの成功的な実装と最適化、および機械学習（NNおよびBDT）の適用。
3. 更新された制約： 特定のSUSYシナリオ、特に圧縮質量領域やフレーバー違反崩壊において、現在までに最も厳格な排除限界を提供し、実行可能な超対称性モデルのパラメータ空間を狭めたこと。

著者らは、SUSYの証拠は見つからなかったものの、これらの結果がLHCにおけるグラウイノ、ストップ、およびチャームスクォークの強力な生成に関する実験的境界を大きく洗練させたものであると結論付けている。