Search for supersymmetric particle pair production in final states with two oppositely charged leptons and large missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

技術要約：2つの反対電荷を持つレプトンと大きな欠損横運動量を含む最終状態における超対称粒子対生成の探索

問題と動機
素粒子物理学における標準模型（SM）は成功を収めているものの、生存可能なダークマター候補を欠いており、ヒッグス粒子の質量とプランクスケールの間の階層性の問題を解決できていない。超対称性（SUSY）は、標準模型の場に対して超対称パートナーを導入することで、これらの制限に対処する。Rパリティ保存モデルにおいて、最軽量中性粒子（$\tilde{\chi}^0_1$）は安定であり、ダークマターの候補となる。本論文では、プロトン・プロトン衝突における超対称粒子の直接的な対生成、具体的にはチャージノ（$\tilde{\chi}^\pm_1$）、トップスクォーク（$\tilde{t}_1$）、およびスレプトン（$\tilde{\ell}$）の探索を提示する。解析は、中心質量エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeVでの衝突を対象としている。解析のターゲットは、これら粒子が安定な中性粒子へと崩壊することから生じる、2つの反対電荷を持つレプトン（電子またはミューオン）と大きな欠損横運動量（$p^{\text{miss}}_ \text{T}$）を特徴とする最終状態である。

手法
本解析では、2016年から2018年の間にCMS検出器によって収集された138 fb$^{-1}$のデータを利用する。イベント選択では、2つの孤立した反対電荷を持つレプトン（$p_T > 25$ GeV（リーディング）および $20$GeV（トレイリング））と、$p^{\text{miss}}_ \text{T} > 160$GeVを要求する。標準模型の背景事象を抑制するため、第3のレプトンが存在するイベントや、レプトン対の不変質量（$m_{\ell\ell}$）がZボソン質量に近いイベントは除外される。

探索戦略として、複数の探索領域（SR）および制御領域（CR）にわたる $m_{T2}$ 分布（2つの不可視粒子に対して一般化された横質量変数）に対する同時最大尤度（ML）フィットを採用している。SRは以下の要素に基づいて分類される：

1. レプトン・フレーバー： 同一フレーバー（SF）および異なるフレーバー（DF）のチャネル。
2. $p^{\text{miss}}_ \text{T}$ ビニング： 160 GeVから $>380$ GeVまでの4つのビン。
3. ジェット多重度： 特にトップスクォーク探索のために、圧縮された質量スペクトル（低ジェット活動）と、より大きな質量分裂を持つシナリオを区別するように調整されている。
   • チャージノ/スレプトン探索： $t\bar{t}$ および $tW$ 背景事象を排除するために、$b$タグ付きジェットをヴェト（拒絶）する。
   • トップスクォーク探索： 圧縮されたスペクトル（$b$ジェットがソフトな場合）を対象とした領域と、少なくとも1つの$b$タグ付きジェットを持つ領域を定義する。高 $p^{\text{miss}}_ \text{T}$ に対しては、初期状態放射ジェットに対する反跳を利用するために、特定の「ハードISR」選択が適用される。

背景事象の推定は、可能な限りデータ駆動型の手法を用いる。主要な背景事象（$t\bar{t}, tW, WW$）の正規化は、低 $m_{T2}$ 領域におけるMLフィットによって制約される。副次的な背景事象（$WZ, ZZ, t\bar{t}Z$, Drell-Yan）は、専用のCRを用いて制約される。検出器の性能、輝度、および理論的モデリング（例：$m_{T2}$ のテイルのモデリング）に関連する系統誤差は、摂動パラメータを介して組み込まれる。

主な貢献

• 質量到達範囲の拡大： 本解析は、特定のトポロジー、特にトップスクォークの圧縮質量領域およびチャージノの高質量領域向けにイベント選択を最適化することで、従来のCMSによる制約を拡張している。
• 包括的な信号シナリオ： 本論文は、3つの異なる生成メカニズムについて結果を解釈している：
  1. 中間スレプトン/スネウトリノを経由する、または直接 $W\tilde{\chi}^0_1$ へ崩壊するチャージノ対生成。
  2. $t\tilde{\chi}^0_1$ へ崩壊するトップスクォーク対生成（圧縮領域 $m_W < \Delta m \lesssim m_t$）、および $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$ を経由する生成。
  3. $\ell\tilde{\chi}^0_1$ へ崩壊するスレプトン対生成。
• 背景モデリングの改善： 本解析は、$t\bar{t}$ および $WW$ イベントにおける $m_{T2}$ テイルのモデリングに関する特定の補正を導入しており、高 $p^{\text{miss}}_ \text{T}$ におけるデータで見られるモデリングの不一致に対処し、非プロンプト・レプトンの取り扱いを洗練させている。

結果
いずれの探索領域においても、標準模型の予測を超える有意な過剰は観測されなかった。その結果、検討されたモデルに対する95%信頼区間（CL）上界が設定された。観測された限界値は、実験的な不確かさの範囲内で、期待される限界値とおおむね一致している。

• チャージノ： チャージノが中間スレプトンを経由して崩客する場合、中性粒子が質量ゼロのとき、チャージノ質量は1120 GeVまで排除される。チャージノ質量が $\sim 820$ GeVの場合、中性粒子質量は490 GeVまで排除される。直接崩壊シナリオ（$\tilde{\chi}^\pm_1 \to W^\pm \tilde{\chi}^0_1$）では、中性粒子質量が25 GeV未満の場合、260–380 GeVのチャージノ質量が排除される。
• トップスクォーク： 圧縮質量領域（$m_W < m_{\tilde{t}_1} - m_{\tilde{\chi}^0_1} \lesssim m_t$）において、$\tilde{t}_1 \to t^*\tilde{\chi}^0_1$ の崩壊については、トップスクォーク質量は500–540 GeVまで排除される。$\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$ の崩壊経路では、圧縮領域において質量は540 GeVまで排除される。
• スレプトン： スレプトン質量は、中性粒子が質量ゼロのとき、700 GeVまで排除される。スレプトン質量が150 GeV未満の場合、30 GeVを超える質量分裂が排除される。

意義
本論文は、中間スレプトンを経由する崩壊モードを含むチャージノ対生成に関して、現在利用可能な最も厳しい制約であると主張している。本解析は、低質量圧縮スペクトルおよびハドロン最終状態の先行研究を効果的に補完し、それらの間のギャップを埋めることに成功している。トップスクォークの圧縮領域における排除範囲を、従来のダイレプトン探索と比較して約100 GeV拡大させることで、本研究は、トップスクォーク質量がTeVスケール近傍にある自然なSUSYシナリオにおけるパラメータ空間を大幅に狭めている。これらの結果は、探索された質量および崩壊構成における超対称性の証拠の不在を裏付ける、簡約化されたSUSYモデルに対する強固な制約を提供している。