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

ATLAS 実験は、$B-L$ $R$ パリティ破れ結合を介してヒッグスボソンとレプトンに崩壊するチャージノおよびニュートリノを検索するために 13 TeV の 140 fb$^{-1}$および 13.6 TeV の 56 fb$^{-1}$の陽子 - 陽子衝突データを解析し、新物理の証拠は見つからず、チャージノおよびニュートリノの質量に対して 1100 GeV までの 95% 信頼水準の排除限界を設定した。

要約

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を、世界で最も強力な「粒子破砕機」と想像してください。それは、ほぼ光の速さで微小な陽子を衝突させ、エネルギーの混沌とした爆発を生み出します。通常、このエネルギーは電子やクォークなど、私たちが熟知し理解している粒子へと変換されます。しかし、物理学者たちは、この混沌の奥に「超対称粒子（スーパーパーター）」が隠されていると疑っています。これらは私たちが知る粒子の幽霊のような、より重い双子であり、超対称性（SUSY）と呼ばれる理論によって予言されています。

本論文は、LHC にある巨大な検出器であるATLAS 実験からの報告です。ATLAS は、これらの幽霊のような双子の一瞥を捉えようとする、高速の 360 度カメラのような役割を果たします。具体的には、研究チームはチャージノとニュートラリーノという 2 種類の超対称粒子を探していました。

謎：「R パリティ」の規則

この理論の多くのバージョンにおいて、R パリティと呼ばれる規則が存在します。R パリティを、クラブの厳格なボーティンガーのように考えてください。

• 通常の粒子（電子など）は「R 値」が +1 です。
• 超対称粒子は「R 値」が -1 です。
• 規則：R パリティが保存される場合、超対称粒子は対になって生成されなければならず、通常の粒子のみに崩壊することは決してありません。最も軽い超対称粒子は安定しており、幽霊のように検出器から逃げて見えない存在となります。

しかし、本論文は異なるシナリオ、すなわちR パリティの破れ（RPV）を探求しています。ボーティンガーが疲れ果て、超対称粒子がこっそり抜け出し、直接通常の粒子へと崩壊することを許してしまう状況を想像してください。この特定のモデルでは、チャージノとニュートラリーノは、他の粒子に質量を与えることで有名な粒子であるヒッグス粒子と、レプトン（電子、ミューオン、またはタウ）へと崩壊すると予言されています。

探索：「ヒッグス粒子のシグネチャー」を見つける

ATLAS チームは、これらの崩壊を捉えるための非常に特定の罠を仕掛けました。彼らは、チャージノまたはニュートラリーノがヒッグス粒子へと崩壊した場合、そのヒッグス粒子はほぼ即座に 2 つのボトムクォーク（検出器内では粒子の「ジェット」として現れる）へと分裂することを理解していました。

したがって、探索戦略は、散らかった部屋で特定のパターンを探すようなものでした。

1. レプトン：崩壊から生じる「レプトン」である、1 つまたは 2 つの高エネルギー電子またはミューオンを含む事象を探しました。
2. ヒッグスの双子：ボトムクォーク由来としてタグ付けされた、少なくとも 3 つの「ジェット」を探しました。シグナルには 2 つの超対称粒子の崩壊が含まれるため、2 つのヒッグス粒子、つまり 4 つのボトムクォーク・ジェットが観測されると期待されました。
3. 欠けたピース：いくつかのシナリオでは、不可視の粒子であるニュートリノも生成され、エネルギーを運び去ります。検出器はこれを「横方向運動量の欠損」として測定します。

データ：衝突の膨大な図書館

チームは膨大な量のデータ・ライブラリを分析しました。

• 期間：2015 年から 2023 年までの衝突。
• エネルギー：2 つの異なるエネルギーレベル（13 TeV および 13.6 TeV）。
• 量：196 インバース・フェムトバーンのデータを確認しました。これを視覚化するには、それらの年間に発生したすべての衝突の瞬間をスナップショットとして捉えることを想像してください。これは、ATLAS が構築した専用ツールがなければ、スーパーコンピュータでも処理するのに数年を要するほど巨大なデータセットです。

結果：幽霊は依然として隠れたまま

数百万の事象を精査した後、チームはこれらのチャージノやニュートラリーノの証拠は見つかりませんでした。

• 比較：彼らはデータ内で観測されたものを、現在の物理学の最良の理論である標準模型が予言するものと比較しました。データは標準模型の予言と完全に一致しました。森の中で特定の種類のエイリアンを探し、鹿、木、鳥だけが見つかったようなものです。まさにあなたが期待して見るべきものだけです。
• 除外：粒子が見つからなかったため、それらが存在し得ない領域に「柵」を引くことができました。彼らは、もしこれらのチャージノやニュートラリーノが存在し、このように崩壊するならば、それらは1,100 GeV（陽子の質量の約 1,100 倍）よりも重くなければならないと結論付けました。もしそれらがそれより軽ければ、ATLAS 検出器はすでにそれらを観測していたはずです。

結論

本論文は、これらの超対称粒子がヒッグス粒子とレプトンへと崩壊する特定のシナリオにおいて、「軽い」バージョン（150 から 1,100 GeV の間）は存在しないことを結論付けています。

簡単に言えば、ATLAS チームは、通常の物理法則を破る特定の種類の重く、幽霊のような粒子を非常に熱心に探しました。しかし、彼らが発見したのは、予想される背景ノイズだけでした。これはこれらの粒子が全く存在しないことを証明するものではありませんが、それらが私たちが考えていたよりもはるかに重い、あるいはこの特定の理論が予言した方法で崩壊しないことを示しています。「新しい物理」の探索は続きますが、この特定の扉は当面の間、閉ざされたままです。

技術概要

技術的概要：ATLAS 検出器を用いた $\sqrt{s}=13$ TeV および 13.6 TeV の $pp$衝突における$B-L$ $R$ パリティ破壊崩壊を伴うチャージノおよびニュートラリーノの探索

問題と動機
超対称性（SUSY）は標準模型（SM）内の階層性問題に対する解決策を提供するが、完全なパラメータ空間はバリオン数（$B$）およびレプトン数（$L$）の破壊を許容する。$R$ パリティ保存はしばしば急速な陽子崩壊を防ぐために課されるが、現象論的に viable な $R$ パリティ破壊（RPV）理論も存在する。具体的には、$B-L$ 最小超対称標準模型（$B-L$ MSSM）は $U(1)_{B-L}$ ゲージ対称性と右巻きステライルニュートリノを導入する。この枠組みにおいて、$U(1)_{B-L}$ の自発的対称性の破れはレプトン数を破り、超対称粒子が直接 SM 粒子へ崩壊することを可能にする。

本論文は、wino 様の最も軽い超対称粒子（LSP）および次に軽い超対称粒子（NLSP）を含む特定シナリオを標的とする。このモデルにおいて、チャージノ（$\tilde{\chi}^\pm_1$）およびニュートラリーノ（$\tilde{\chi}^0_1$）はほぼ質量縮退しており（分裂 $< 200$ MeV）、標準的な $R$ パリティ保存崩壊を抑制する。代わりに、これらの粒子は主にヒッグスボソン（$h$）とレプトン（$\ell$）またはニュートリノ（$\nu$）への即座の RPV 崩壊を経由する：$\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ および $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$。以前の ATLAS 探索は $Z$ ボソンまたはトップスカラーへの RPV 崩壊を標的としていたが、本解析はヒッグスボソン崩壊チャネル（$h \to b\bar{b}$）に焦点を当てることで補完的な感度を提供し、これら特定の電弱超対称粒子生成モードに対して以前は十分に探索されていなかった相空間領域を対象としている。

手法
本解析は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の ATLAS 検出器によって 2015 年から 2023 年にかけて収集された陽子 - 陽子衝突データを利用する。データセットは、13 TeV（ラン 2）での 140 fb$^{-1}$ および 13.6 TeV（ラン 3）での 56 fb$^{-1}$ に分割された、積分光度 196 fb$^{-1}$ で構成される。

• シグナルトポロジー： 探索は電弱対生成（$\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$）および付随生成（$\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$）を標的とする。
  • $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ チャネルは、2 つの反対符号レプトンと 2 つのヒッグスボソン（4 つの $b$ ジェット）を伴う最終状態をもたらす。
  • $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ チャネルは、1 つのレプトン、2 つのヒッグスボソン（4 つの $b$ ジェット）、およびニュートリノに由来する横方向運動量欠損（$E_T^{\text{miss}}$）をもたらす。
• 事象選択： 事象は、少なくとも 4 つのジェットを持ち、そのうち少なくとも 3 つが GN2 アルゴリズムを用いて $b$ タグ付きジェットとして識別されていることが要求される。レプトン選択は、高 $p_T$ の電子またはミューオン（$p_T > 40$ GeV）を要求する。
  • 2 レプトン領域（SR2$\ell$）： 2 つの反対符号レプトンを要求する。本解析は 2 つのヒッグスボソン候補と 2 つのチャージノ候補を再構成する。変数 $A_C$（再構成された 2 つのチャージノ候補間の質量非対称性）は、背景を抑制するために使用される。
  • 1 レプトン領域（SR1$\ell$）： 1 つのレプトンと有意な $E_T^{\text{miss}}$ を要求する。ニュートラリーノ質量は、ヒッグス候補と $E_T^{\text{miss}}$ を用いた横方向質量（$m_{N,T}$）を通じて再構成される。
• 背景推定： 支配的な背景はトップクォーク対生成（$t\bar{t}$）、特に重フレーバージェットを伴う $t\bar{t}$（$t\bar{t}+b$）である。背景の正規化は、特定のシグナル選択基準（例えば、ヒッグス質量ウィンドウまたは運動量変数）を反転させた制御領域（CR）を用いてデータから導出される。検証領域（VR）は、背景モデルの外挿を確認する。
• 統計解析： pyhf フレームワークを用いたプロファイル尤度フィットが実施される。系統誤差（実験的、理論的、および MC 統計的）は、妨害パラメータとして扱われる。限界は $CL_s$ 規定を用いて 95% 信頼水準（CL）で設定される。

主要な貢献

1. ヒッグスチャネル RPV に対する最初の制限： この研究は、$B-L$ MSSM 枠組みにおいて、主要な崩壊モードがヒッグスボソンとレプトン/ニュートリノへの崩壊であるチャージノおよびニュートラリーノ生成に対する最初の探索制限を提示する。
2. 高度な $b$ タギング： 本解析は、以前のアルゴリズムと比較して改善された背景拒絶率を提供する GN2 トランスフォーマーベースの $b$ タギングアルゴリズムを活用し、$h \to b\bar{b}$ シグナルの分離に不可欠である。
3. ラン 2 およびラン 3 データの統合： 本解析は、LHC ラン 2（13 TeV）およびラン 3（13.6 TeV）の両方のデータを統合し、増加した光度とエネルギーを利用してより高い質量範囲を探索する。
4. フレーバー固有の制限： すべてのレプトンフレーバーへの等しい分岐比という標準的な仮定を超えて、本解析は純粋電子、純粋ミューオン、および純粋タウシナリオに対する固有の制限を導出し、レプトン再構成効率の感度への影響を実証する。

結果
観測されたデータは、すべてのシグナル領域において標準模型の予測と一致する。有意な事象の過剰は観測されなかった。

• モデル非依存の制限： 4 つの「発見領域」（SR2$\ell$、SR2$\ell$700、SR1$\ell$、SR1$\ell$600）における標準模型を超える過程の可視断面積に対する上限が設定された。
• モデル依存の排除：
  • チャージノおよびニュートラリーノがそれぞれ 100% の分岐比で $h\ell$ および $h\nu$ に崩壊し、電子、ミューオン、タウフレーバーへの分岐比が等しいと仮定した場合、質量が 150 GeV から 1100 GeV のチャージノおよびニュートラリーノが 95% CL で排除される。
  • 純粋電子仮説の場合、質量が 150 GeV から 1225 GeV の範囲が排除される。
  • 純粋ミューオン仮説の場合、質量が 150 GeV から 1150 GeV の範囲が排除される。
  • 純粋タウ仮説の場合、質量が 450 GeV から 750 GeV の範囲が排除される。タウチャネルにおける感度の低下は、ハドロン的に崩壊するタウの再構成の困難さと、レプトン的タウ崩壊におけるエネルギー損失に起因し、これにより娘レプトンがしばしば $p_T$ 閾値以下に落ちる結果となっている。

重要性
本論文は、これらの結果が $B-L$ $R$ パリティ破壊の文脈においてヒッグスボソンを介して崩壊するチャージノおよびニュートラリーノに対する簡素化されたシグナルモデルの最初の制限を提供すると主張する。フレーバー仮説に応じて 1100–1225 GeV までの質量の排除は、質量を最大約 975 GeV まで排除した以前の $Z$ ボソン崩壊を標的とした探索の到達範囲を大幅に拡張する。本解析は、$b$ ジェットの多重性と背景環境という課題にもかかわらず、ヒッグス崩壊チャネルが RPV シナリオにおける電弱超対称粒子生成のための強力かつ補完的なプローブであることを実証する。結果は、モデル非依存の断面積および特定の最小超対称標準模型パラメータに対する制限として解釈され、SUSY パラメータ空間を制約する広範な取り組みに貢献している。