Search for signatures of electroweakinos with photons, jets, and large missing transverse momentum in $\sqrt{s}=13$ TeV pp collisions with the ATLAS detector

Met behulp van 140 fb$^{-1}$ aan data van proton-protonbotsingen bij 13 TeV heeft de ATLAS-collaboratie gezocht naar elektroweakino-kenmerken in eindtoestanden met fotonen, jets en ontbrekende transversale impuls, waarbij geen significante overschrijding boven de voorspellingen van het Standaardmodel werd gevonden en uitsluitingsgrenzen op gaugino-massa's tot 1,2 TeV werden vastgesteld met een betrouwbaarheidsniveau van 95%.

De kern

Het Grote Geheel: Een Kosmische Schatzoektocht

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) voor als 's werelds krachtigste deeltjesversneller, in wezen een gigantisch, supersnel racecircuit waar protonen (kleine subatomaire deeltjes) met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar worden gebotst. Wanneer ze botsen, creëren ze een stortvloed van puin, net als wanneer je twee complexe horloges tegen elkaar slaat en ziet welke tandwielen, veren en schroeven eruit vliegen.

Het ATLAS-experiment is een van die gigantische "camera's" (detectoren) die deze botsingen in de gaten houden. Dit artikel beschrijft een specifieke zoektocht die het ATLAS-team uitvoerde met data uit 2015 tot 2018. Ze waren op zoek naar een zeer specifiek, zeldzaam type puin dat volgens ons huidige begrip van de fysica (het Standaardmodel) niet zou mogen bestaan.

De Theorie: De "Onzichtbare Geest" en de "Glanzende Flits"

De wetenschappers waren op zoek naar bewijs van Supersymmetrie (SUSY). Stel je het Standaardmodel voor als een voltooide puzzel van het universum. SUSY suggereert dat er een verborgen, grotere puzzel is waarbij elk stukje dat we kennen een "schaduw-tweeling" heeft die zwaarder is en moeilijker te vinden.

In deze specifieke zoektocht waren ze op zoek naar een scenario dat betrekking had op:

1. Neutralino's: Dit zijn de "schaduw-tweelingen" van deeltjes zoals het foton en het Z-boson. Stel ze je voor als zware, onzichtbare geesten die in paren worden gecreëerd tijdens de botsing.
2. Gravitino's: Dit zijn de lichtste, meest ontwijkbare deeltjes in de theorie. Ze zijn als "geesten van geesten" – zo licht en zwak dat ze zonder een spoor na te laten direct door de detector heen gaan. In deze theorie zijn ze het ultieme "ontbrekende" stukje.
3. Het Verval: Wanneer een zware Neutralino-geest vervalt, kan deze veranderen in een Gravitino (die verdwijnt) en een Foton (een deeltje van licht) of een Z-boson (dat snel uiteenvalt in andere deeltjes).

Het Signatuur: Waar Ze Naar Keken

Als deze theorie waar is, zou een botsing een zeer specifiek "vingerafdruk" moeten produceren in de detector:

• Een Helle Flits: Minstens één hoog-energetisch foton (een deeltje van licht).
• Een Jetstroom: Een spuit van deeltjes (jets) die worden gecreëerd door het puin.
• De Grote Verdwijning: Een enorme hoeveelheid "ontbrekende" energie. Omdat de Gravitino-geesten onzichtbaar de detector ontvluchten, klopt de wiskunde van de botsing niet. De energie die erin gaat, is niet gelijk aan de energie die eruit komt. Deze "ontbrekende impuls" is het rokerige pistool.

Het Onderzoek: Door het Ruis Filteren

Het team analyseerde een enorme hoeveelheid data (140 "inverse femtobarns", wat een chique manier is om te zeggen dat ze naar biljoenen botsingen keken).

Om hun signaal te vinden, moesten ze de "ruis" filteren. Stel je voor dat je probeert een specifiek gefluister te horen in een vol stadion. Meestal is de "ontbrekende energie" gewoon een meetfout of een deeltje dat vastliep in de wanden van de detector. Het team bouwde drie verschillende "zoekzones" (Signaalregio's) op basis van hoeveel energie er ontbrak:

• Laag-Massa Zone: Op zoek naar lichtere geesten.
• Middel-Massa Zone: Op zoek naar middelzware geesten.
• Hoog-Massa Zone: Op zoek naar zeer zware geesten.

Ze moesten ook oppassen om echte signalen niet te verwarren met "nep"-signalen, zoals een jet van deeltjes die per ongeluk leek op een foton, of een meetglitch die het leek alsof energie verdween. Ze gebruikten geavanceerde statistische trucs en "controlekamers" (waar ze wisten dat de fysica standaard was) om hun verwachtingen te kalibreren.

De Resultaten: Het Stilte van de Geesten

Na het rekenwerk was het resultaat duidelijk: Ze vonden niets.

• Geen Overvloed: Het aantal gebeurtenissen dat ze zagen met een foton, jets en ontbrekende energie, kwam exact overeen met wat het Standaardmodel voorspelde. Er was geen "extra" gefluister in het stadion.
• Geen Nieuwe Fysica: Ze vonden geen bewijs voor deze specifieke Supersymmetrische deeltjes.

Wat Dit Betekent (Volgens het Artikel)

Omdat ze de geesten niet vonden, moesten ze grenzen stellen aan waar ze zouden kunnen schuilen.

• De Uitsluitingsgrens: Ze kunnen nu met 95% zekerheid zeggen dat als deze specifieke "bino-higgsino"-geesten bestaan, ze zwaarder moeten zijn dan 1,2 TeV (een eenheid van massa).
• De Kaart: Ze maakten een kaart die aangeeft dat voor bepaalde combinaties van hoe deze deeltjes vervallen, massa's tot 1,2 TeV zijn uitgesloten. Als ze bestaan, zijn ze zwaarder dan de zwaarste deeltjes die we tot nu toe hebben gevonden.

Samenvatting

De ATLAS-samenwerking zocht naar een specifiek type "onzichtbare geest"-deeltje dat een heldere flits en een spoor van ontbrekende energie zou achterlaten. Ze keken door 140 biljoen botsingen en vonden geen bewijs daarvan. Hoewel ze niet de nieuwe fysica vonden waarop ze hoopten, hebben ze de zoektocht succesvol ingeperkt, door toekomstige fysici te vertellen: "Als deze deeltjes bestaan, zijn ze zwaarder dan 1,2 TeV, dus zoek harder in die richting."

Technische samenvatting

1. Probleem en Fysische Motivatie

Het papier behandelt de zoektocht naar fysica buiten het Standaardmodel (SM), met name gericht op Supersymmetrie (SUSY) binnen het kader van General Gauge Mediation (GGM).

• Theoretische Context: In GGM-modellen is het gravitino ($\tilde{G}$) het Lightest Supersymmetric Particle (LSP) en is het stabiel door behoud van R-pariteit, waardoor het een kandidaat voor donkere materie is. Het Next-to-Lightest Supersymmetric Particle (NLSP) wordt verondersteld het lichtste neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$) te zijn, een mengsel van bino- en higgsino-toestanden.
• Verval-Signatuur: Het $\tilde{\chi}^0_1$ vervalt in een gravitino en een Standaardmodel-boson: een foton ($\gamma$), een $Z$-boson, of een Higgs-boson ($h$). De vertakkingsverhoudingen hangen af van de bino/higgsino-samenstelling.
• Doelproces: De analyse richt zich op de paardproductie van elektroweakino's (specifiek $\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_2$, $\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^\pm_1$, enz.) waarbij de zwaardere toestanden vervallen naar het $\tilde{\chi}^0_1$, dat vervolgens vervalt.
• Eindtoestand: De zoektocht richt zich op gebeurtenissen met minstens één geïsoleerd hoog-$p_T$ foton, jets, en grote ontbrekende transversale impuls ($E^{\text{miss}}_T$) die voortkomt uit de twee ontsnapte gravitino's. Deze signatuur onderscheidt zich van eerdere zoektochten die zich uitsluitend richtten op diphoton-eindtoestanden of sterke productiekanalen.

2. Methodologie

Data en Simulatie

• Dataset: De analyse gebruikt de volledige Run-2-dataset verzameld door de ATLAS-detector bij de LHC, overeenkomend met een geïntegreerde lichtsterkte van 140 fb$^{-1}$ bij een botsingsenergie van $\sqrt{s}=13$ TeV (2015–2018).
• Signaalsimulatie: Signaalsamples werden gegenereerd met MadGraph 5 gekoppeld aan Pythia 8. De simulatie dekte $\tilde{\chi}^0_1$-massa's van 150 tot 1450 GeV. Er werd een vereenvoudigd model gebruikt waarbij de vertakkingsverhoudingen van $\tilde{\chi}^0_1$ naar $\gamma\tilde{G}$, $Z\tilde{G}$ en $h\tilde{G}$ aanvankelijk gelijk werden gesteld, waardoor herweging mogelijk was om verschillende mengscenario's te testen. De doorsneden werden berekend met NLO+NLL-precisie met Resummino.
• Achtergrondsensimulatie: SM-achtergronden ($Z(\to\nu\nu)\gamma$, $W\gamma$, $t\bar{t}\gamma$, $\gamma$+jets, enz.) werden gesimuleerd met Sherpa, MadGraph5_aMC@NLO en Powheg.

Gebeurtenisreconstructie en Selectie

• Objectdefinitie:
  • Fotonen: Moesten een $p_T > 50$ GeV hebben (offline) en voldoen aan "tight"-identificatie- en isolatiecriteria.
  • Jets: Gereconstrueerd met het anti-$k_t$-algoritme ($R=0.4$).
  • $E^{\text{miss}}_T$: Berekend met een objectgebaseerd algoritme inclusief een zachte term.
• Trigger: Gebeurtenissen werden geselecteerd met een single-photon-trigger met een offline eis van $p_T > 145$ GeV.
• Signaalregio's (SR's): Drie ontdekkingsregio's werden gedefinieerd op basis van de $\tilde{\chi}^0_1$-massahypothese (Laag, Medium, Hoog), voornamelijk onderscheiden door $E^{\text{miss}}_T$-drempels:
  • SRL: $E^{\text{miss}}_T > 200$ GeV.
  • SRM: $E^{\text{miss}}_T > 300$ GeV.
  • SRH: $E^{\text{miss}}_T > 400$ GeV.
  • Aanvullende orthogonale regio's (SRLe, SRMe) werden gedefinieerd met strengere eisen voor de $E^{\text{miss}}_T$-significantie om uitsluitingslimieten te optimaliseren.
• Discriminatoren: Om achtergronden te onderdrukken, gebruikte de analyse de verhouding $E^{\text{miss}}_T / m_{\text{eff}}$ (waarbij $m_{\text{eff}}$ de scalaire som is van $E^{\text{miss}}_T$, de leidende foton-$p_T$ en de jet-$p_T$) en hoekseparaties $\Delta\phi(\gamma, E^{\text{miss}}_T)$ en $\Delta\phi(\text{jet}, E^{\text{miss}}_T)$.

Achtergrondschatting

• Dominante Achtergronden: $Z(\to\nu\nu)\gamma$, $W\gamma$ en $t\bar{t}\gamma$.
• Controle-regio's (CR's): Toegewijde CR's werden gebruikt om de dominante achtergronden te normaliseren met data:
  • CRZ: Leptonische $Z$-vervals ($Z \to ee/\mu\mu$) met een foton, gebruikt om $Z(\to\nu\nu)\gamma$ te normaliseren.
  • CRW: Enkel lepton + foton + $b$-jet veto voor $W\gamma$.
  • CRT: Lepton + foton + $\ge 2$ $b$-jets voor $t\bar{t}\gamma$.
• Valse Fotonen: Achtergronden van jets of elektronen die verkeerd geïdentificeerd zijn als fotonen, werden geschat met datagestuurde technieken (ABCD-methode in isolatie/identificatie-vlakken) en fake-factoren afgeleid van $Z \to ee$-samples.
• Statistische Analyse: Een simultane profiel-likelihood-fit werd uitgevoerd over CR's, Validatieregio's (VR's) en SR's om achtergrondbenaderingen te beperken en limieten te stellen.

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Inclusieve Zoekstrategie: In tegenstelling tot eerdere ATLAS-zoektochten die zich richtten op exclusieve diphoton-signaturen of specifieke Higgs-vervallen, hanteert deze analyse een meer inclusieve selectie gericht op minstens één foton plus jets en $E^{\text{miss}}_T$. Dit breidt de gevoeligheid aanzienlijk uit voor verschillende GGM-scenario's.
2. Scannen van Vertakkingsverhoudingen: Een belangrijke innovatie is de interpretatie van resultaten als functie van de $\tilde{\chi}^0_1$-vertakkingsverhoudingen. In plaats van vaste verhoudingen aan te nemen, scant de analyse de parameter ruimte van $B(\tilde{\chi}^0_1 \to \gamma\tilde{G})$, $B(\tilde{\chi}^0_1 \to Z\tilde{G})$ en $B(\tilde{\chi}^0_1 \to h\tilde{G})$.
3. Uitgebreide Massabereik: De analyse breidt het uitsluitingsbereik voor elektroweakino-massa's uit tot 1,2 TeV, wat de eerdere ATLAS-zoektochten naar elektroweakino's overtreft.
4. Benchmarks: De resultaten worden geïnterpreteerd in twee specifieke benchmarks:
   • $\gamma + Z$: 50% $\gamma\tilde{G}$ en 50% $Z\tilde{G}$.
   • $\gamma + h$: 50% $\gamma\tilde{G}$ en 50% $h\tilde{G}$.

4. Resultaten

• Observatie: Er werd geen significant overschot aan gebeurtenissen waargenomen in enige signaalregio. De waargenomen gebeurtenisaantallen waren consistent met Standaardmodelvoorspellingen (bijvoorbeeld in SRH: 8 waargenomen gebeurtenissen versus 14,6 verwacht).
• Modelonafhankelijke Limieten: Bovenste limieten bij 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) werden gesteld op de zichtbare doorsnede ($\langle A\epsilon\sigma \rangle_{95}^{\text{obs}}$) voor nieuwe fysica-processen.
• Modelafhankelijke Uitsluitingen:
  • In de $\gamma + Z$-benchmark worden neutralino-massa's tot ~1,2 TeV uitgesloten voor pure foton-vertakkingsverhoudingen.
  • In de $\gamma + h$-benchmark worden vergelijkbare uitsluitingslimieten bereikt.
  • Afhankelijkheid van Vertakkingsverhouding: De uitsluitingslimiet op de $\tilde{\chi}^0_1$-massa neemt af naarmate de vertakkingsverhouding naar fotonen afneemt. Voor $B(\tilde{\chi}^0_1 \to \gamma\tilde{G}) = 10\%$ daalt de uitsluitingslimiet tot ongeveer 450 GeV.
  • 2D-Limieten: Het papier biedt uitsluitingscontouren in het vlak van vertakkingsverhoudingen ($B(\gamma\tilde{G})$ versus $B(Z\tilde{G})$ of $B(h\tilde{G})$) voor vaste massa's, wat aantoont dat de gevoeligheid het hoogst is wanneer de foton-vertakkingsverhouding dominant is.

5. Betekenis

Dit papier vertegenwoordigt een uitgebreide update van de zoektocht naar elektroweakino's in het GGM-kader met behulp van de volledige Run-2-dataset.

• Gevoeligheid: Het bereikt de strengste limieten tot nu toe voor elektroweakino-productie in het kanaal foton+jet+$E^{\text{miss}}_T$, met onderzoek naar massa's tot 1,2 TeV.
• Robuustheid: Door te scannen over vertakkingsverhoudingen, biedt de analyse robuuste beperkingen voor een breed scala aan SUSY-parameter ruimten, in plaats van beperkt te zijn tot specifieke theoretische aannames over de neutralino-samenstelling.
• Complementariteit: De resultaten vullen zoektochten naar sterke productie (gluino's/squarks) en andere elektroweakino-vervalmodi (bijv. trileptonen) aan, en bieden een compleet beeld van het landschap van SUSY-zoektochten bij de LHC.
• Toekomstperspectief: Het ontbreken van een signaal plaatst sterke beperkingen op lage-energie SUSY-breekingschalen en de aard van het NLSP, wat toekomstige theoretische modellen en het ontwerp van Run-3 en High-Luminosity LHC-zoektochten leidt.