Search for long-lived particles using displaced vertices with low-momentum tracks in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Met behulp van 100 fb$^{-1}$ aan proton-protonbotsingsdata bij 13 TeV van het CMS-experiment presenteert deze studie een zoektocht naar langlevende deeltjes via verplaatste vertices met laag-impuls sporen, waarmee de strengste grenzen tot nu toe worden gesteld voor de massa's van top-squarks en wino-achtige neutralino's in specifieke supersymmetrische co-annihilatiescenario's.

De kern

Het Grote Geheel: Jagen op "Spookachtige" Deeltjes

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN voor als een gigantisch, snelheidsgebied voor auto-ongelukken. Wetenschappers laten protonen met ongelofelijke snelheid op elkaar botsen om te zien welke kleine stukjes eruit vliegen. Meestal snellen deze stukjes (deeltjes) direct door de detectoren, zoals een kogel die door een muur gaat.

Sommige theorieën suggereren echter dat bepaalde nieuwe, mysterieuze deeltjes "spookachtig" kunnen zijn. In plaats van direct te verdwijnen, zouden ze een korte afstand kunnen afleggen – een paar centimeter – voordat ze uiteindelijk knappen en vervallen in andere dingen. Deze worden Langlevende Deeltjes (LLP's) genoemd.

Dit artikel beschrijft een nieuwe zoektocht van het CMS-experiment (een van de gigantische detectoren bij de LHC) die specifiek gericht is op deze "geesten" die een korte afstand afleggen en vervolgens een spoor van energie-arme puin achterlaten.

Het Specifieke Doel: Het "Gecomprimeerde" Scenario

De wetenschappers zoeken naar een zeer specifieke, lastige situatie die een "gecomprimeerd spectrum" wordt genoemd.

• De Analogie: Stel je twee hardlopers voor, een zware (het nieuwe deeltje) en een lichte (het onzichtbare donkere-materiedeeltje). Normaal gesproken, als de zware loper iets laat vallen, valt het met een grote klap. Maar in dit scenario is de zware loper slechts iets zwaarder dan de lichte (minder dan 25 GeV verschil).
• Het Resultaat: Omdat ze qua gewicht zo dicht bij elkaar liggen, heeft de zware loper niet veel energie om af te staan wanneer hij vervalt. Het "puin" dat hij achterlaat, beweegt zeer traag (lage impuls).
• Het Probleem: Eerdere zoektochten waren als een net met grote gaten; ze misten deze traag bewegend, energie-arme deeltjes omdat ze ontworpen waren om snelle, energie-rijke deeltjes te vangen. Deze nieuwe zoektocht gebruikt een "net met fijne maaswijdte" om deze trage, laag-impuls sporen te vangen.

Het Detectiewerk: Hoe Ze Ze Vonden

De zoektocht richt zich op een zeer specifiek teken in de data, dat in het artikel een "verplaatste vertex" wordt genoemd.

1. De Opstelling: De botsing vindt plaats en er wordt een zwaar deeltje gecreëerd.
2. De Reis: In plaats van direct op de botsingsplek te vervallen, reist dit deeltje een paar millimeter of centimeter verder.
3. De Explosie: Het vervalt in een paar geladen deeltjes (sporen) en een onzichtbaar deeltje (een kandidaat voor donkere materie).
4. De Aanwijzingen:
   • De Verplaatste Vertex: De geladen sporen beginnen niet in het centrum van de crash; ze beginnen een paar stappen verderop. Het is alsof je voetafdrukken vindt die in het midden van een kamer beginnen, en niet bij de deur.
   • De Terugslag: Om de energie in evenwicht te brengen, is er meestal een "schok" van de initiële botsing (een straal van Initiële Toestand Straling) die het zware deeltje wegduwt.
   • Ontbrekende Energie: Het onzichtbare deeltje vliegt onopgemerkt weg, waardoor er een gat ontstaat in de energiebalans (Ontbrekende Transverse Impuls).

De Strategie: Een Nieuwe Manier om Te Tellen

Het artikel introduceert een slimme statistische methode om te raden hoeveel "achtergrond" gebeurtenissen (valse alarmen) er zijn, zonder te vertrouwen op computersimulaties die misschien onjuist zijn.

• De Analogie: Stel je voor dat je probeert te tellen hoeveel mensen in een stadion een rode hoed dragen, maar je kunt ze niet allemaal zien. In plaats van te raden, tel je hoeveel mensen in een sectie die je duidelijk kunt zien, een blauwe hoed dragen. Vervolgens gebruik je een "overdrachtsfactor" (een bekende verhouding) om te schatten hoeveel rode hoeden er in het hele stadion zijn.
• In het Artikel: Ze verdelen de data in verschillende "vlakken" op basis van hoeveel goede sporen ze zien. Ze tellen de makkelijk te zien gebeurtenissen (controlegebieden) en gebruiken wiskundige verhoudingen om te voorspellen hoeveel moeilijk te zien gebeurtenissen (signaalgebieden) er zouden moeten zijn als er geen nieuwe fysica was. Vervolgens vergelijken ze deze voorspelling met wat ze daadwerkelijk zien.

De Resultaten: Wat Vonden Ze?

Na analyse van data uit 2017 en 2018 (100 "inverse femtobarns" aan data, wat een enorme hoeveelheid botsingen is):

1. Geen Geesten Gevonden: Het aantal gebeurtenissen dat ze zagen, paste perfect bij de voorspelling voor normale achtergrondruis. Er was geen "rookend pistool" bewijs van deze nieuwe langlevende deeltjes.
2. Grenzen Stellen: Hoewel ze de deeltjes niet vonden, hebben ze succesvol uitgesloten waar ze zouden kunnen verstoppen.
   • Ze hebben de mogelijkheid uitgesloten dat Top Squarks (een type supersymmetrisch deeltje) massa's hebben tussen 400 en 1100 GeV.
   • Ze hebben Wino-achtige Neutralino's (een ander type) met massa's tussen 220 en 550 GeV uitgesloten.
3. De Prestatie: Dit is de meest gevoelige zoektocht tot nu toe voor deze specifieke "gecomprimeerde" scenario's. Het stelt de strengste regels tot nu toe op voor waar deze deeltjes niet kunnen bestaan.

Samenvatting

Bekijk dit artikel als de meest grondige "geestenjacht" tot nu toe in een specifieke, moeilijke hoek van het universum. De jagers gebruikten een nieuw, fijner net om traag bewegend, energie-arme deeltjes te vangen die eerdere netten misten. Ze vonden geen geesten, maar ze bewezen succesvol dat als deze geesten bestaan, ze zich niet verstoppen in de specifieke massabereiken die ze zojuist hebben onderzocht. Dit maakt de kaart voor toekomstige ontdekkingsreizigers smaller.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektocht naar Langlevende Deeltjes met Gebruik van Verplaatste Vertices met Traagheidsbanen van Lage Impuls

Probleem en Motivatie
Veel theorieën buiten het Standaardmodel (SM) voorspellen het bestaan van langlevende deeltjes (LLP's) met gemiddelde eigenlevensduren die groter zijn dan $\sim 0,1$ ps. In specifieke supersymmetrische (SUSY) scenario's, zoals het top-squark ($\tilde{t}$) next-to-lightest supersymmetric particle (NLSP) en de bino-wino NLSP-modellen, kan het massaverschil ($\Delta m$) tussen het NLSP en het lightest SUSY particle (LSP) klein zijn (minder dan 25 GeV). In deze "gecomprimeerde spectrum"-scenario's zijn de vervalproducten van het LLP zacht, wat resulteert in banen met lage impuls. Eerdere zoektochten door de ATLAS- en CMS-samenwerkingen met behulp van verplaatste vertices leden onder verminderde gevoeligheid in deze specifieke massasplitsingsregio's vanwege selectiecriteria voor gebeurtenissen en vertices die niet waren geoptimaliseerd voor banen met lage impuls. Deze analyse beoogt deze kloof te dichten door te richten op LLP's die vervallen met een $\Delta m$ in het bereik van 12–25 GeV, waarbij goed gemeten banen met lage impuls worden gebruikt om de gevoeligheid te verhogen.

Methodologie
De zoektocht maakt gebruik van proton-proton botsingsdata verzameld door het CMS-experiment bij $\sqrt{s} = 13$ TeV tijdens 2017 en 2018, overeenkomend met een geïntegreerde lichtkracht van 100 fb$^{-1}$. De analyse richt zich op eindtoestanden die een verplaatste vertex, grote ontbrekende transversale impuls ($p^{\text{miss}}_T$) en een jet van straling uit de initiële toestand (ISR) bevatten.

• Signaalmodellen: Er worden twee benchmark SUSY-coannihilatiescenario's overwogen:
  1. $\tilde{t}$ NLSP-model: Een langlevend top-squark dat vervalt via vier-lichaams- of twee-lichaamskanalen naar een bino-achtig neutralino LSP.
  2. Bino-wino NLSP-model: Een bijna massagedegenereerde wino-achtig neutralino ($\tilde{\chi}^0_2$) en chargino ($\tilde{\chi}^\pm_1$), waarbij het $\tilde{\chi}^0_2$ langlevend is en vervalt via een virtuele $Z$-boson.
• Detector en Reconstructie: De analyse maakt gebruik van de opgewaardeerde CMS-tracker uit 2017–2018, die verbeterde prestaties biedt voor banen met lage impuls ($1 < p_T < 10$ GeV). Verplaatste vertices worden gereconstrueerd met behulp van een aangepaste inclusieve vertexfinder (IVF) gebaseerd op de adaptieve vertexfitter. De IVF-parameters zijn afgestemd om banen met grote hoekafstanden te accommoderen, waardoor de efficiëntie voor LLP-vervallen met grote openingshoeken wordt verhoogd.
• Selectie van Gebeurtenissen: Gebeurtenissen moeten een trigger doorlopen met $p^{\text{miss}}_T > 120$ GeV en een offline $p^{\text{miss}}_T > 400$ GeV hebben, samen met ten minste één ISR-jet ($p_T > 100$ GeV). Vetoes voor leptonen en fotonen worden toegepast om achtergrond te verminderen.
• Schatting van Achtergrond: Er wordt een nieuwe, datagedreven methode voor achtergrondschatting toegepast met behulp van overdrachtsfactoren. Gebeurtenissen worden ingedeeld in "vlakken" op basis van het aantal "goede banen" (banen die strenge kwaliteits- en isolatiecriteria voldoen) die geassocieerd zijn met een verplaatste vertex (0, 1, 2 of $\ge 3$ banen). Controlegebieden (CR's) met lage $p^{\text{miss}}_T$ worden gebruikt om overdrachtsfactoren af te leiden die de achtergrondopbrengst voorspellen in signaalgewesten (SR's) met hogere $p^{\text{miss}}_T$ en variërende multipliciteiten van banen. Deze aanpak vermijdt afhankelijkheid van simulatie voor achtergrondmodellering.
• Systematische Onzekerheden: Belangrijke onzekerheden omvatten de reconstructie-efficiëntie voor banen/vertices (10–11%), afgeleid uit $K^0_S \to \pi^-\pi^+$-vervallen, en statistische onzekerheden in de achtergrondschatting (<2%).

Belangrijkste Bijdragen

• Optimalisatie voor Gecomprimeerde Spectra: De analyse richt zich specifiek op het regime van banen met lage impuls ($p_T < 10$ GeV) en kleine massasplitsingen ($\Delta m < 25$ GeV), een regio die eerder minder werd onderzocht door zoektochten met verplaatste vertices.
• Aangepaste Vertexreconstructie: Het afstemmen van het IVF-algoritme om grote hoekafstanden tussen banen te accepteren, verbetert de reconstructie-efficiëntie aanzienlijk voor LLP's met lange vervalafstanden en specifieke kinematische configuraties.
• Datagedreven Achtergrondschatting: De implementatie van een overdrachtsfactormethode gebaseerd op multipliciteit van banen en $p^{\text{miss}}_T$ maakt een robuuste achtergrondbespreding mogelijk over meerdere signaalgewesten zonder afhankelijkheid van gesimuleerde achtergrondstalen voor de uiteindelijke opbrengst.
• Material Map Veto: Een uit data afgeleide materialenkaart wordt gebruikt om vertices te vetoveren die voortkomen uit nucleaire interacties binnen het tracker-materiaal, waardoor de achtergrond wordt verminderd terwijl de signaalefficiëntie behouden blijft.

Resultaten
De analyse observeerde geen significante afwijking van de hypothese van alleen achtergrond in de zoekgebieden, met een gecombineerde $p$-waarde van 0,5. Bijgevolg werden bovengrenzen voor het productie-kruisdoorsnede op 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) vastgesteld voor de benchmark-modellen.

• $\tilde{t}$ NLSP-model: Top-squarks met massa's kleiner dan 400–1100 GeV worden uitgesloten, afhankelijk van het massaverschil ($\Delta m$) en het vertakkingspercentage van het vier-lichaamsverval.
• Bino-wino NLSP-model: Wino-achtige neutralino's met massa's kleiner dan 220–550 GeV worden uitgesloten, afhankelijk van $\Delta m$ en de eigen vervalafstand ($c\tau$).
• De gevoeligheid is optimaal voor $c\tau$-waarden rond de 10 mm en verbetert met toenemend $\Delta m$.

Betekenis
Dit werk vertegenwoordigt de eerste zoektocht bij de LHC die gevoeligheid aantoont voor langlevende deeltjes in scenario's met gecomprimeerde spectra, met gebruik van signatuur van verplaatste vertices met banen van lage impuls. Door de strengste grenzen tot nu toe te stellen voor de $\tilde{t}$- en bino-wino NLSP-signaalmodellen, onderzoekt de analyse effectief eerder ontoegankelijke regio's van de SUSY-parameter ruimte. De resultaten beperken specifieke coannihilatiescenario's waarbij het massaverschil tussen het NLSP en LSP minder is dan 25 GeV, en bieden kritieke beperkingen voor theoretische modellen die dergelijke gecomprimeerde spectra voorspellen.