The ABC of RPV II: Classification of R-parity Violating Signatures from UDD Couplings and their Coverage at the LHC

Deze studie analyseert de experimentele dekking van baryongetal-schendende R-pariteit-schendingssignalen bij de LHC en concludeert dat hoewel het gekleurde LSP-sectoren goed gedekt is, er aanzienlijke hiaten blijven bestaan voor elektroweakino- en slepton-LSP's vanwege een gebrek aan gerichte zoektochten.

De kern

De ABC van R-pariteit: Een speurtocht naar onzichtbare deeltjes in de deeltjesversneller

Stel je voor dat het heelal een gigantisch, ingewikkeld puzzel is. Wetenschappers hebben al een groot deel van deze puzzel opgelost: het Standaardmodel. Dit is de "handleiding" voor hoe alle bekende deeltjes (zoals elektronen en quarks) met elkaar omgaan. Maar er is een probleem: deze handleiding is niet compleet. Er zijn gaten, zoals de vraag waarom het heelal bestaat uit materie en niet uit straling, of waar de "donkere materie" is die het heelal bij elkaar houdt.

Om deze gaten op te vullen, hebben fysici een theorie bedacht genaamd Supersymmetrie (SUSY). In deze theorie heeft elk bekend deeltje een zwaarder, onzichtbaar "tweelingbroertje" of "tweezusje". Denk aan een spiegelbeeld, maar dan zwaarder.

Het mysterie van de R-pariteit

In de meeste versies van deze theorie is er een strenge regel: R-pariteit. Dit is als een politieregel in een club. De regel zegt: "Je mag alleen in paren binnenkomen en alleen in paren weer uitgaan."

• Als je twee supersymmetrische deeltjes creëert, moeten ze ook weer samen verdwijnen.
• Het lichtste supersymmetrische deeltje (de LSP) kan nooit verdwijnen. Het is onsterfelijk.
• Omdat het onsterfelijk is en niet reageert met licht, is het een perfecte kandidaat voor donkere materie.

Maar wat als die regel niet bestaat? Wat als R-pariteit gebroken is? Dan is het alsof de clubdeur openstaat. Deeltjes kunnen nu willekeurig binnenkomen en weer vertrekken. Ze hoeven niet meer in paren te verdwijnen. Het lichtste deeltje is dan niet meer onsterfelijk; het kan vervallen in gewone deeltjes die we wel kunnen zien.

De zoektocht in de LHC

De Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland is een gigantische deeltjesversneller die protonen tegen elkaar schiet om deze nieuwe deeltjes te vinden.

• Bij de oude regel (R-pariteit behouden): Deeltjes verdwijnen en laten een "gaten" achter in de meetapparatuur (ontbrekende energie). De zoektocht is gericht op deze gaten.
• Bij de nieuwe regel (R-pariteit gebroken): Deeltjes vervallen in een explosie van gewone deeltjes (zoals quarks die jets van deeltjes vormen, of elektronen). Er is geen gat, maar een heel drukke, chaotische feestzaal.

Wat doet dit onderzoek?

De auteurs van dit paper (een team van universiteiten in Bonn, Philadelphia, Uppsala en Minneapolis) hebben een gedetailleerde inventarisatie gemaakt van deze "feestzalen". Ze kijken specifiek naar een bepaald type deeltjesverval dat wordt veroorzaakt door zogenaamde UDD-koppelingen.

Stel je voor dat ze een enorme lijst hebben gemaakt van alle mogelijke scenario's:

1. Welk deeltje is het lichtste? (Is het een gluino, een squark, of een electroweakino? Dit zijn de namen van de supersymmetrische tweelingbroertjes).
2. Hoe vervalt het? Via welke van de vier mogelijke "UDD-kanalen" breekt het deeltje uiteen?
3. Wat zien we dan? Hoe ziet de "feestzaal" eruit? Hebben we veel jets (deeltjesstralen), of zitten er ook elektronen en muonen bij?

De resultaten: Waar zitten de gaten?

De onderzoekers hebben hun theorieën vergeleken met de feitelijke zoektochten die de ATLAS en CMS experimenten (de twee grote teams bij de LHC) al hebben gedaan. Ze hebben daarvoor een soort "simulatie-app" gebruikt (CheckMATE 2) om te zien of de oude zoektochten ook deze nieuwe, chaotische scenario's zouden hebben opgemerkt.

Hier zijn de belangrijkste bevindingen, vertaald naar alledaags taal:

• De "Kleurrijke" deeltjes (Gluino's en Squarks) zijn goed in de gaten gehouden.
  Als het lichtste deeltje een "gluino" is (een zwaar deeltje dat sterk reageert met andere deeltjes), dan is de kans groot dat de LHC het al heeft gevonden of dat het zwaarder is dan 1,8 tot 2 biljoen elektronvolt. De zoektochten naar deze deeltjes zijn erg streng. Het is alsof ze al bijna de hele kamer hebben afgezocht.

  • Analogie: Het is alsof je zoekt naar een enorme, felgekleurde ballon in een donkere kamer. Als je die niet ziet, moet hij wel heel groot zijn of helemaal niet bestaan.

• De "Witte" deeltjes (Sleptonen en Electroweakino's) zijn nog een blind vlek.
  Voor de lichtere deeltjes, zoals de "sleptonen" (de supersymmetrische versies van elektronen) of "electroweakino's", is de situatie anders. De huidige zoektochten van de LHC zijn niet goed genoeg opgezet om deze specifieke soorten "feestzalen" te herkennen.

  • Analogie: Stel je voor dat je zoekt naar een witte muis in een witte kamer. De huidige camera's (de zoektochten) zijn zo ingesteld dat ze alleen zwarte muisjes zien. Als de muis wit is, zie je hem niet, zelfs niet als hij er is. Er is een "blind vlek" in de dekking.

Wat betekent dit voor de toekomst?

Het paper concludeert dat we de zoektocht moeten aanpassen.

1. Voor de zware deeltjes: We weten nu dat ze waarschijnlijk heel zwaar zijn. De grenzen zijn streng.
2. Voor de lichte deeltjes: De experimentatoren (de mensen die de machines bedienen) moeten nieuwe, slimme zoektochten bedenken die specifiek gericht zijn op deze unieke, chaotische verdelingspatronen.

De auteurs hebben zelfs zelf een paar nieuwe "zoekstrategieën" in hun simulatie-app geïmplementeerd om te laten zien dat dit mogelijk is. Ze roepen de wetenschappelijke wereld op om samen te werken: de theoretici (die de puzzelstukjes bedenken) en de experimentatoren (die de camera's instellen) moeten beter op elkaar afstemmen om deze laatste gaten in de supersymmetrie-puzzel te vullen.

Kortom:
We hebben een goede kaart gemaakt van waar we moeten zoeken. Voor de zware deeltjes hebben we al veel gevonden (of uitgesloten), maar voor de lichtere, "slimmere" deeltjes moeten we onze zoeklichten nog wat anders richten om ze eindelijk te zien.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het paper "The ABC of RPV II: Classification of R-parity Violating Signatures from UDD Couplings and their Coverage at the LHC" in het Nederlands.

Titel: The ABC of RPV II: Classificatie van R-parity schendingssignaturen afkomstig van UDD-koppelingen en hun dekking bij de LHC

1. Het Probleem

De supersymmetrie (SUSY) is een veelbesproken uitbreiding van het Standaardmodel (SM). In het meest eenvoudige scenario, het R-parity behoudende MSSM (RPC-MSSM), is het lichtste supersymmetrische deeltje (LSP) stabiel en een kandidaat voor donkere materie, wat leidt tot grote ontbrekende transversale impuls ($E_T^{miss}$) in detectoren. Echter, als R-parity wordt geschonden (RPV-MSSM), kan het LSP vervallen in standaardmodeldeeltjes.

Specifiek richt deze studie zich op baryongetal-schendende operatoren (UDD-operatoren, aangeduid als $\lambda''_{ijk}\bar{U}_i\bar{D}_j\bar{D}_k$) in het RPV-MSSM. Hoewel eerdere studies (zoals Ref. [92]) de dekking voor leptongetal-schendende operatoren (LLE) hebben geanalyseerd, is de experimentele dekking voor UDD-operatoren minder duidelijk. Er bestaat een risico dat er "gaten" of "luikjes" in de huidige LHC-analyses zitten die het mogelijk maken dat SUSY-deeltjes met UDD-koppelingen onopgemerkt blijven, vooral omdat de eindtoestanden vaak complex zijn (veel jets, soms met leptons) en niet altijd overeenkomen met de standaard zoekstrategieën van ATLAS en CMS.

2. Methodologie

De auteurs hebben een uitgebreide numerieke studie uitgevoerd om de huidige status van de UDD-operatoren te beoordelen. De methodologie omvat de volgende stappen:

• Framework en Aannames:

  • Er wordt aangenomen dat slechts één UDD-koppeling tegelijkertijd niet-nul is.
  • De koppelingen zijn groot genoeg om een prompt verval van het LSP te garanderen, maar klein genoeg om de productie van SUSY-deeltjes niet te beïnvloeden.
  • Er worden vier benchmark-scenario's gedefinieerd op basis van de unieke eindtoestanden die door de UDD-koppelingen worden gegenereerd:
    1. $UDD$ (i,j,k $\in$ {1,2}): $\lambda''_{112}$
    2. $UDD_3$ (i,j $\in$ {1,2}, k=3): $\lambda''_{113}$
    3. $U_3DD$ (i=3, j,k $\in$ {1,2}): $\lambda''_{312}$
    4. $U_3DD_3$ (i=3, j $\in$ {1,2}, k=3): $\lambda''_{313}$
  • Er worden alle mogelijke LSP's bestudeerd: gluino's ($\tilde{g}$), squarks ($\tilde{q}$), electroweakino's ($\tilde{\chi}$) en sleptons ($\tilde{l}$).

• Productiekanalen:

  • Directe productie: Het LSP wordt direct geproduceerd (bijv. paarproductie van gluino's of squarks).
  • Cascade-productie: Het LSP ontstaat uit het verval van zwaardere deeltjes (bijv. $\tilde{g} \to \tilde{q} + X$, gevolgd door $\tilde{q} \to LSP$).

• Simulatie en Recasting:

  • De auteurs gebruiken het CheckMATE 2 framework om hun benchmarks te testen tegen bestaande ATLAS en CMS zoekopdrachten.
  • Implementatie van nieuwe zoekopdrachten: Omdat de standaard CheckMATE 2 bibliotheek beperkt was, hebben de auteurs drie cruciale zoekopdrachten handmatig geïmplementeerd:
    1. ATLAS Multijet zoekopdracht bij 13 TeV (ATLAS-2401-16333): Essentieel voor toestanden met veel jets.
    2. CMS zoekopdracht met twee OSSF (Opposite-Sign Same-Flavor) leptons en jets bij 8 TeV (CMS-1602-04334): Relevant voor slepton-verval.
    3. CMS Leptoquark zoekopdracht bij 13 TeV (CMS-1811-00806): Getest maar gaf geen significante verbetering voor de specifieke UDD-scenario's.
  • De simulaties gebruiken MadGraph5_aMC@NLO voor procesgeneratie, Pythia 8 voor showering, en DELPHES 3 voor detector-simulatie.
  • Voor kruisdoorsneden worden NNLL-fast (voor gekleurde deeltjes) en Resummino (voor electroweakino's) gebruikt om nauwkeurige K-factoren toe te passen.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Systematische Classificatie: Een complete catalogus van eindtoestanden voor alle mogelijke LSP's onder de vier benchmark UDD-koppelingen, zowel voor directe als cascade-productie.
• Verbetering van Recasting Tools: De implementatie van de ATLAS multijet zoekopdracht (ATLAS-2401-16333) en de CMS slepton-zoekopdracht (CMS-1602-04334) in CheckMATE 2, wat de dekking voor theoretici aanzienlijk vergroot.
• Identificatie van Dekkingsgaten: Een gedetailleerde analyse die laat zien waar de huidige experimentele zoekopdrachten tekortschieten, met name voor electroweakino's en sleptons.

4. Resultaten

De resultaten worden gepresenteerd als uitsluitingslimieten (95% CL) voor de massa's van de LSP's:

• Gekleurde Sector (Gluino's en Squarks):

  • Deze sector is goed gedekt.
  • Gluino LSP: Uitsluiting tot massa's van 1,6 - 1,85 TeV, afhankelijk van de koppeling. De geïmplementeerde ATLAS multijet zoekopdracht is hier de meest gevoelige.
  • Squark LSP: De limieten variëren sterk. Voor linkshandige squarks ($\tilde{q}_L$) met 4-voudige degeneratie zijn de limieten het strengst (tot ~1 TeV). Voor rechtshandige squarks en derde-generatie squarks zijn de limieten soms lager (onder de 500 GeV), vooral voor toestanden met 4 jets die minder goed worden gedekt door de huidige multijet-analyses.
  • Cascade-productie: Wanneer squarks worden geproduceerd via gluino-cascades, worden de limieten aanzienlijk strenger (gluino's tot 2,3 TeV uitgesloten voor bepaalde squark-massa's).

• Electroweak Sector (Electroweakino's en Sleptons):

  • Er is een significante dekkingskloof voor deze deeltjes.
  • Sleptons: De huidige zoekopdrachten (vooral de CMS 8 TeV zoekopdracht) zijn niet gevoelig genoeg om enig gebied van de parameter ruimte uit te sluiten. Er is een dringende behoefte aan zoekopdrachten bij 13 TeV die specifiek gericht zijn op eindtoestanden zoals "2 leptons + jets" of "2 vectorbosonen + jets".
  • Electroweakino's (Wino's en Higgsino's): Er zijn geen uitsluitingen gevonden voor wino's. Voor higgsino's is slechts een zwakke limiet van ~150 GeV gevonden. De aanwezigheid van vectorbosonen in de cascade en de lage productie-kruisdoorsnede maken deze scenario's moeilijk te detecteren met huidige analyses.

5. Betekenis en Conclusie

De studie concludeert dat het UDD-gekleurde sector van het RPV-MSSM redelijk goed wordt afgedekt door de LHC-experimenten, met name dankzij de nieuwe ATLAS multijet zoekopdracht. Echter, er blijven kritieke gaten bestaan in de dekking voor electroweakino's en sleptons.

• Implicaties voor Naturalness: Hoewel RPV vaak wordt gezien als een oplossing voor het naturaliteitsprobleem (door lichtere squarks en gluino's te toestaan), tonen de resultaten aan dat gluino's en stops al tot 1,5-2 TeV zijn uitgesloten. Dit maakt het moeilijker om "natuurlijke" SUSY-scenario's binnen het huidige RPV-framework te behouden zonder dat de higgsino's of squarks extreem licht zijn.
• Aanbevelingen: De auteurs benadrukken de noodzaak van gezamenlijke inspanningen tussen theoretici en experimentatoren. Er zijn nieuwe, doelgerichte zoekopdrachten nodig bij 13 TeV (en toekomstige HL-LHC) die specifiek zijn ontworpen voor de complexe eindtoestanden van UDD-vervallen, vooral voor de electroweak sector. Zonder deze verbeteringen blijft een groot deel van het RPV-MSSM landschap onverkend.

Kortom, dit paper biedt een cruciale update voor de zoektocht naar R-parity schending, identificeert waar de huidige zoektochten slagen, en wijst op de specifieke gebieden waar de LHC nog blind is voor baryongetal-schending.