Search for compressed electroweak SUSY production in final states with two $\tau$-leptons in $\sqrt{s} = 13$ and $13.6$TeV$pp$ collisions with the ATLAS detector

技術要約：2つの$\tau$レプトンを含む最終状態における圧縮されたエレクトロウィークSUSY生成の探索

問題と動機
本論文は、超対称性（SUSY）粒子のエレクトロウィーク・セクターにおける生成、特に「圧縮された質量スペクトル」を対象とした生成の探索を提示する。これらのシナリオでは、生成されるSUSY粒子（$\tau$スレプトン $\tilde{\tau}$、チャージノ $\tilde{\chi}^{\pm}_1$、およびニュートラリーノ $\tilde{\chi}^0_2$ など）と最軽量超対称粒子（LSP, $\tilde{\chi}^0_1$）との間の質量差（$\Delta m$）が小さい。このような小さな質量分裂は、再構成やトリガーが困難なソフトな崩壊生成物をもたらし、従来の探索における感度低下を招く。本解析は、ダークマター現象論から動機付けられた、少なくとも1つのハドロン崩壊する$\tau$レプトンを含む最終状態に焦点を当てている。これは、軽い$\tau$スレプトンがレルリック密度制約を満たし得ることに基づいている。本研究の目的は、ソフトな$\tau$の再構成や大きな標準模型（SM）背景事象による課題のため、これまでほとんど探索されてこなかった領域である $\Delta m < 50$ GeV の質量分裂を調査することである。

手法
解析には、ATLAS検出器によって収集された $\sqrt{s}=13$ TeV（2015–2018年、140 fb$^{-1}$）および $\sqrt{s}=13.6$ TeV（2022–2023年、53 fb$^{-1}$）の陽子・陽子衝突データを使用している。探索は、異なる生成メカニズムを対象とした4つの異なるチャネルに分けられる：

1. 直接 $\tilde{\tau}$ 生成 (Stau NoISR): 初期状態放射（ISR）のない $\tilde{\tau}\tilde{\tau}$ ペアを対象とし、単一レプトントリガーに依存する。
2. ISRを伴う直接 $\tilde{\tau}$ 生成 (Stau ISR): システムをブーストするためにISRジェットと共に生成される $\tilde{\tau}\tilde{\tau}$ ペアを対象とし、欠損横運動量（$E^{\text{miss}}_T$）トリガーを利用する。
3. 中間 $\tilde{\tau}$ チャネル: チャージノ対（$\tilde{\chi}^+_1 \tilde{\chi}^-_1$）およびチャージノ・ニュートラリーノ（$\tilde{\chi}^{\pm}_1 \tilde{\chi}^0_2$）の生成を対象とし、これらは中間的な $\tilde{\tau}$ または $\tilde{\nu}_{\tau}$ 状態を経て崩壊する。

解析戦略:

• イベント再構成: 解析では、$\tau$レプトンのための専用の低$p_T$較正を含む、Run 2およびRun 3のための調和された再構成アルゴリズムを採用している。ハドロン$\tau$候補は、ジェットのフェイクを抑制するためにリカレントニューラルネットワーク（RNN）を用いて識別される。
• 信号識別:
  • 直接 $\tilde{\tau}$ 探索では、信号を6つの背景クラス（Top, $Z(\tau\tau)$, Diboson, Higgs, Fake-$\tau$, および Signal）から区別するために、マルチクラス深層ニューラルネットワーク（DNN）が訓練される。
  • 中間 $\tilde{\tau}$ 探索では、より顕著な運動学的差異を利用して信号を背景事象から分離するために、バイナリ・ブーステッド決定木（BDT）が使用される。
  • カットアンドカウント解析も、クロスチェックとして、また再解釈可能な結果を提供するために実施される。
• 背景事象推定:
  • 真の$\tau$背景事象（Top, $Z(\tau\tau)$, Diboson）は、専用の制御領域（CR）におけるデータへの正規化を用いたモンテカルロ（MC）シミュレーションを用いてモデル化される。
  • フェイク$\tau$背景事象（$\tau$と誤認されるジェット）は、検証領域（VR）で検証されたデータ駆動型の「フェイクファクター」法を用いて推定される。
• 統計解析: pyhfフレームワークを用いたビン化された尤度フィットを行う。フィットは、背景事象のみの仮説（モデリングの検証のため）および信号＋背景事象の仮説（排除限界を設定するため）に対して行われる。Run 2とRun 3のデータは、セットアップの違いを考慮するために、個別の正規化係数を用いて結合される。

主な貢献

• 感度の拡張: これは、圧縮されたプロンプトな$\tau$スレプトンおよびエレクトロウィークイノ（electroweakino）のシナリオに対して感度を持つ、最初のATLASによる探索である。
• ISRの活用: ISRジェット・トポロジーの導入は、圧縮されたスペクトラに対する感度を大幅に向上させる。これは、システムにローレンツ・ブーストを与えることで、ソフトな崩壊生成物の検出を容易にするためである。
• 高度な技術: ソフトな$\tau$の運動学に特化して調整された機械学習（DNNおよびBDT）の適用により、従来のカットアンドカウント法よりも優れた信号・背景分離が可能となる。
• 二重のアプローチ: 機械学習ベースの解析と、専用のカットアンドカウント・クロスチェックを組み合わせることで、堅牢性と解釈可能性を実現している。

結果

• 観測: 観測されたデータは、概ね標準模型の予測と一致している。しかし、いくつかの局所的な偏差が、$2.1\sigma$から$2.4\sigma$の有意度で観測されている（例：Run 2 Stau NoISR 1-jet SRにおける$2.3\sigma$の超過、およびRun 3 Intermediate $\tilde{\chi}^{\pm}_1 \tilde{\chi}^0_2$ LH SRにおける$2.4\sigma$の欠損）。これらの揺らぎは、期待値と比較して観測された排除限界を弱める結果となっている。
• 直接 $\tilde{\tau}$ 生成:
  • Stau ISRチャネルとStau NoISRチャネルを組み合わせた場合、観測された超過のため、95%信頼区間（CL）での排除限界は設定されない。
  • Stau ISRチャネル単独では、質量分裂 $\Delta m(\tilde{\tau}, \tilde{\chi}^0_1) = 30$ GeVにおいて、最大 115 GeV までの$\tau$スレプトンが排除される。
• 中間 $\tilde{\tau}$ （エレクトロウィークイノ）生成:
  • 純粋なチャージノ対生成（$\tilde{\chi}^+_1 \tilde{\chi}^-_1$）については、$\Delta m(\tilde{\chi}^{\pm}_1, \tilde{\chi}^0_1) = 30$ GeVにおいて、最大 175 GeV までのチャージノ質量が排除される。
  • 質量が縮退したチャージノ対およびチャージノ・ニュートラリーノ生成については、同じ質量分裂において、最大 200 GeV までのチャージノ質量が排除される。
  • これらの限界は、圧縮領域における従来の結果を大幅に拡張している。
• モデル独立な限界: 信号領域における新物理の可視断面積の上限が、0.02から0.25 fbの範囲で設定されている。

意義
本論文は、これらの結果が、$\tau$レプトンを伴う圧縮されたエレクトロウィークSUSYシナリオにおいて、現在までに最も厳しい制限を示していると主張している。Run 2の全データセットとRun 3の初期データを活用し、改善されたトリガ戦略と機械学習技術を用いることで、小さな質量分裂（$\Delta m < 50$ GeV）という困難な領域を探索することに成功した。本研究は、専用の較正と高度な解析手法を用いることで、大きな標準模型背景事象が存在する場合でも、圧縮スペクトルの感度を得られることを実証しており、非圧縮の最終状態に焦点を当てた従来の探索によって残されていたギャップを効果的に埋めている。