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

기술 요약: 두 개의 반대 전하를 가진 경입자와 큰 미싱 횡운동량(Missing Transverse Momentum)을 갖는 최종 상태에서의 초대칭 입자 쌍생산 탐색

문제 및 동기
표준 모형(Standard Model, SM)은 입자 물리학에서 성공적이지만, 유효한 암흑 물질 후보가 결여되어 있으며 힉스 보손 질량과 플랑크 척도 사이의 계층 문제를 해결하지 못하고 있다. 초대칭(Supersymmetry, SUSY) 이론은 SM 장(field)들에 대한 초동반자(superpartners)를 도입함으로써 이러한 한계들을 해결한다. R-패리티 보존 모델에서 가장 가벼운 중성미노($\tilde{\chi}^0_1$)는 안정적이며 암흑 물질 후보 역할을 한다. 본 논문은 중심 질량 에너지 $\sqrt{s} = 13$ TeV인 양성자-양성자 충돌에서 초대칭 입자들—구체적으로 차지노($\tilde{\chi}^\pm_1$), 톱 스쿼크($\tilde{t}_1$), 그리고 슬렙톤($\tilde{\ell}$)—의 직접적인 쌍생산을 탐색한다. 이 분석은 안정적인 중성미노로 붕괴하는 과정에서 발생하는 신호인, 두 개의 반대 전하를 가진 경입자(전자 또는 뮤온)와 큰 미싱 횡운동량($p^{\text{miss}}_T$)을 특징으로 하는 최종 상태를 대상으로 한다.

방법론
이 분석은 2016년부터 2018년 사이에 CMS 검출기로 수집된 138 fb$^{-1}$의 데이터를 활용한다. 이벤트 선택 조건은 $p_T > 25$ (선행) 및 $20$(후행) GeV인 두 개의 고립된 반대 전하 경입자와$p^{\text{miss}}T > 160$GeV를 요구한다. 표준 모형 배경사건을 억제하기 위해, 세 번째 경입자가 있거나 경입자 쌍의 불변 질량($m{\ell\ell}$)이 Z 보손 질량 근처인 이벤트는 제외된다.

탐색 전략은 여러 탐색 영역(Search Regions, SRs)과 제어 영역(Control Regions, CRs)에 걸쳐 $m_{T2}$ 분포(두 개의 보이지 않는 입자를 위해 일반화된 횡질량 변수)에 대한 동시 최대 가능도(Maximum Likelihood, ML) 적합(fit)을 사용한다. SR은 다음을 기준으로 분류된다:

1. 경입자 맛(Lepton Flavor): 동일 맛(Same-Flavor, SF) 및 다른 맛(Different-Flavor, DF) 채널.
2. $p^{\text{miss}}_T$ 빈(Binning): 160 GeV에서 $>380$ GeV까지의 4개 빈.
3. 제트 다중도(Jet Multiplicity): 특히 톱 스쿼크 탐색을 위해 설계되었으며, 압축된 질량 스펙트럼(낮은 제트 활동)과 더 큰 질량 분리를 가진 시나리오를 구분한다.
   • 차지노/슬렙톤 탐색: $t\bar{t}$ 및 $tW$ 배경사건을 거부하기 위해 $b$-태그된 제트를 베토(veto)한다.
   • 톱 스쿼크 탐색: $b$-제트가 없는 영역(소프트한 $b$-제트가 발생하는 압축된 스펙트럼에 민감함)과 적어도 하나의 $b$-태그된 제트가 있는 영역을 정의한다. 높은 $p^{\text{miss}}_T$를 위해 초기 상태 복사(initial-state radiation) 제트에 대한 반동을 이용하는 특정 "강한 ISR(hard ISR)" 선택이 적용된다.

배경사건 추정은 가능한 경우 데이터 기반 방법을 사용한다. 주요 배경사건($t\bar{t}, tW, WW$)의 정규화는 낮은 $m_{T2}$ 영역의 ML 적합에 의해 제약된다. 부차적인 배경사건($WZ, ZZ, t\bar{t}Z$, 드렐-야니(Drell-Yan))은 전용 CR을 사용하여 제약된다. 검출기 성능, 루미노시티(luminosity), 그리고 이론적 모델링(예: $m_{T2}$ 꼬리 부분 모델링)과 관련된 계통 불확실성은 넌시언스 파라미터(nuisance parameters)를 통해 포함된다.

주요 기여

• 확장된 질량 도달 범위: 이 분석은 특정 위상(topology), 특히 톱 스쿼크의 압축된 질량 영역과 차지노의 고질량 영역에 최적화된 이벤트 선택을 통해 이전의 CMS 제약을 확장한다.
• 포괄적인 신호 시나리오: 본 논문은 세 가지 뚜렷한 생성 메커니즘에 대해 결과를 해석한다:
  1. 중간 슬렙톤/스뉴트리노를 통한, 또는 $W\tilde{\chi}^0_1$로의 직접 붕괴를 통한 차지노 쌍생산.
  2. $t\tilde{\chi}^0_1$로 붕괴하는 톱 스쿼크 쌍생산 (압축된 영역 $m_W < \Delta m \lesssim m_t$) 및 $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$를 통한 붕괴.
  3. $\ell\tilde{\chi}^0_1$로 붕괴하는 슬렙톤 쌍생산.
• 개선된 배경 모델링: 이 분석은 $t\bar{t}$ 및 $WW$ 이벤트의 $m_{T2}$ 꼬리 모델링에 대한 특정 보정을 도입하여, 높은 $p^{\text{miss}}_T$에서 관측된 데이터의 미모델링 문제를 해결하고 비 프롬프트(non-prompt) 경입자의 처리를 개선한다.

결과
모든 탐색 영역에서 표준 모형 예측을 상회하는 유의미한 과잉(excess)은 관측되지 않았다. 결과적으로, 고려된 모델들에 대해 95% 신뢰 수준(CL) 상한값이 설정되었다. 관측된 한계값은 실험적 불확실성 내에서 기대되는 한계값과 대체로 일치한다.

• 차지노: 중간 슬렙톤을 통해 붕괴하는 시나리오에서, 질량이 없는 중성미노에 대해 최대 1120 GeV까지의 차지노 질량이 배제된다. 약 820 GeV의 차지노 질량에 대해, 중성미노 질량은 최대 490 GeV까지 배제된다. 직접 붕괴 시나리오($\tilde{\chi}^\pm_1 \to W^\pm \tilde{\chi}^0_1$)에서, 중성미노 질량이 25 GeV 미만일 때 260–380 GeV 사이의 차지노 질량이 배제된다.
• 톱 스쿼크: 압축된 질량 영역($m_W < m_{\tilde{t}_1} - m_{\tilde{\chi}^0_1} \lesssim m_t$)에서, $\tilde{t}_1 \to t^*\tilde{\chi}^0_1$ 붕괴에 대해 최대 500–540 GeV까지의 톱 스쿼크 질량이 배제된다. $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$ 붕쇄 경로의 경우, 압축된 영역에서 최대 540 GeV까지 배제된다.
• 슬렙톤: 질량이 없는 중성미노에 대해 슬렙톤 질량은 최대 700 GeV까지 배제된다. 슬렙톤 질량이 150 GeV 미만인 경우, 30 GeV 이상의 질량 차이가 배제된다.

의의
본 논문은 이 결과가 중간 슬렙톤을 통한 붕괴 모드를 포함하는 차지노 쌍생산에 대해 현재 이용 가능한 가장 강력한 제약이라고 주장한다. 이 분석은 저질량 압축 스펙트럼 및 강입자 최종 상태 탐색을 성공적으로 보완하며, 그 사이의 간극을 효과적으로 메운다. 톱 스쿼크의 압축된 영역에 대한 배제 범위를 이전의 이중 경입자(dilepton) 탐색보다 약 100 GeV 확장함으로써, 본 연구는 톱 스쿼크 질량이 TeV 스케일 근처에 있는 자연스러운(natural) SUSY 시나리오에 대한 파라미터 공간을 크게 좁힌다. 이 결과는 단순화된 SUSY 모델에 대한 강력한 제약을 제공하며, 탐색된 질량 및 붕괴 구성에서 초대칭의 증거가 없음을 재확인한다.