Search for long-lived particles using displaced vertices of oppositely charged leptons in 140 fb$^{-1}$ of pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Met behulp van 140 fb$^{-1}$ aan proton-protonbotsingsdata bij 13 TeV, verzameld door de ATLAS-detector, presenteert deze studie een zoektocht naar langlevende deeltjes die vervallen in verplaatste leptonparen met tegengestelde lading, waarbij leidende bovengrenzen worden gesteld aan de productiewaarschijnlijkheden voor referentie $Z'$- en $R$-pariteitsschendende supersymmetrische modellen, zonder dat er kandidaatgebeurtenissen worden waargenomen.

De kern

Het Grote Plaatje: Jagen op "Spook" Deeltjes

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) voor als een gigantische arena voor auto-ongelukken op hoge snelheid. Wetenschappers laten protonen bijna met de lichtsnelheid tegen elkaar botsen, in de hoop de omstandigheden van het heelal net na de Oerknal te recreëren. Normaal gesproken, wanneer deze deeltjes botsen, breken ze uitein in andere deeltjes die wegvliegen en bijna direct de detectoren raken.

Maar wat als sommige van deze deeltjes als geesten zijn? Wat als ze bij de botsing worden gecreëerd, maar in plaats van direct te verdwijnen, een paar centimeter of zelfs meters door de detector reizen voordat ze eindelijk "poef" in iets zichtbaars veranderen? Dit worden Langlevende Deeltjes (LLP's) genoemd.

Dit papier is een rapport van het ATLAS-team (een enorme groep wetenschappers) waarin staat: "We hebben onze data van 2015–2018 zeer zorgvuldig onderzocht op deze geesten, maar we hebben er geen gevonden."

Het Detectivewerk: Op zoek naar "Verplaatste Hoekpunten"

Om deze geesten te vinden, moesten de wetenschappers zoeken naar een specifieke aanwijzing die een Verplaatst Hoekpunt (DV) wordt genoemd.

• Het Normale Scenario: Normaal gesproken, wanneer deeltjes worden gecreëerd, laten ze een "rookring" (een spoor) achter die precies bij het centrum van de botsing begint (het Primaire Hoekpunt).
• Het Geestenscenario: Als een langlevend deeltje bestaat, reist het weg van het centrum en vervalt het dan pas. Wanneer het vervalt, creëert het een nieuwe "rookring" (een paar geladen deeltjes, zoals elektronen of muonen) die ver weg van het centrum begint.

De Analogie:
Stel je een vuurwerkshow voor.

• Normale deeltjes: Het vuurwerk ontploft direct in je hand en de vonken vliegen er direct uit.
• Langlevende deeltjes: Het vuurwerk wordt de lucht in gelanceerd, vliegt een paar seconden en ontploft dan pas in de lucht. Het "ontploffingspunt" (het hoekpunt) is verplaatst ten opzichte van waar je het lanceerde.

De ATLAS-detector is een gigantische, high-tech camera die foto's maakt van deze vuurwerken. De wetenschappers bouwden een speciaal algoritme om de vuurwerken die in je hand ontploffen te negeren en alleen te kijken naar diegene die in de lucht ontploffen.

De Drie Verdachten (Benchmarks Modellen)

De wetenschappers zochten niet zomaar naar een geest; ze hadden drie specifieke "verdachten" in gedachten op basis van theorieën die ons huidige begrip van de natuurkunde (Standaardmodel) uitbreiden. Ze controleerden of deze verdachten zich in de data konden verstoppen:

1. De Zware Scalar & De $Z'$ Boson: Stel je een zware, onzichtbare ouderdeeltje voor (een scalar) dat zich splitst in twee langlevende "kinderen" ($Z'$ bosonen). Deze kinderen vliegen weg en veranderen uiteindelijk in paren van tegengesteld geladen deeltjes (zoals een elektron en een positron, of twee muonen).
2. De Gluino & De Neutralino: In een theorie genaamd Supersymmetrie (SUSY) zijn er zware deeltjes die gluino's worden genoemd. Wanneer ze vervallen, kunnen ze een "neutralino" produceren (een spookachtig deeltje) dat een tijdje leeft voordat het verandert in twee geladen deeltjes en een neutrino.
3. De Electroweakino: Een variatie van het bovenstaande, waarbij de neutralino wordt geproduceerd door andere zware deeltjes die chargino's of zwaardere neutralino's worden genoemd.

De Zoekstrategie: Hoe Ze Keken

Het team analyseerde 140 fb⁻¹ aan data. Om dat in perspectief te plaatsen: als één "fb" een enkel korreltje zand is, analyseerden ze een berg aan data.

• Het Net: Ze zetten een zeer specifiek net op. Ze vingen alleen gebeurtenissen waarbij:
  • Twee geladen deeltjes (leptonen) verschenen.
  • Ze een duidelijk "hoekpunt" (een ontmoetingspunt) vormden binnen het binnenste spoorvolgsysteem van de detector.
  • Dit ontmoetingspunt verplaatst was (ten minste 2 mm verwijderd van het centrum van de botsing).
  • De deeltjes voldoende energie hadden om echt te zijn, en niet slechts willekeurige ruis.
• De Achtergrondruis: Het heelal is rommelig. Soms kruisen willekeurige sporen elkaar per ongeluk, of raken kosmische straling (deeltjes uit de ruimte) de detector en lijken op een verval. De wetenschappers gebruikten slimme wiskunde om te schatten hoeveel van deze "nepgeesten" ze mochten verwachten.
  • Analogie: Als je in een bos naar een specifiek type vogel zoekt, moet je weten hoeveel bladeren op die vogel lijken, zodat je niet voor de gek wordt gehouden.

De Resultaten: De Grote Stilte

Het Vonnis: Ze vonden nul gebeurtenissen die aan hun criteria voldeden.

• De Verwachting: Op basis van hun berekeningen van achtergrondruis (willekeurige ongelukken) verwachtten ze een klein aantal gebeurtenissen te zien (minder dan één, in feite nul).
• De Realiteit: Ze zagen nul.

Dit is eigenlijk een goed resultaat! Het betekent dat hun detector perfect werkt en hun achtergrondberekeningen accuraat zijn. Het betekent echter ook dat er geen nieuwe langlevende deeltjes zijn gevonden in dit specifieke zoektocht.

Wat Dit Betekent voor de Natuurkunde

Omdat ze de deeltjes niet vonden, ontdekten ze geen nieuwe wet van de natuurkunde. In plaats daarvan deden ze iets even belangrijks: Ze plaatsten een "Verboden Toegang"-bord.

• Grenzen Stellen: Omdat ze de deeltjes niet vonden, kunnen ze met 95% zekerheid zeggen: "Als deze spookdeeltjes bestaan, kunnen ze niet zo zwaar zijn, of niet zo lang leven, of niet zo vaak worden geproduceerd."
• Theorieën Uitsluiten: Ze hebben nu een groot stuk van de "kaart" uitgesloten waar deze deeltjes zich zouden kunnen verstoppen. Specifiek hebben ze uitgesloten:
  • Zware scalar deeltjes die vervallen in $Z'$ bosonen met massa's tussen 0,1 en 2,2 TeV.
  • Neutralino's (uit de SUSY-modellen) met massa's tot 2,2 TeV, mits ze een bepaalde tijd leven (van 1 mm tot 10.000 mm aan reisafstand).

De Conclusie

Beschouw dit papier als een zeer grondige zoektocht in een huis naar een verloren kat.

• De wetenschappers keken in elke kamer (de binnenste tracker).
• Ze zochten naar de specifieke pootafdrukken van de kat (het verplaatste hoekpunt van twee leptonen).
• Ze controleerden op nep-pootafdrukken gemaakt door de hond (achtergrondruis).
• Resultaat: Er werd geen kat gevonden.

Conclusie: De kat zit niet in dit huis (of in ieder geval niet in de specifieke kamers en maten waar ze naar zochten). Dit vertelt toekomstige kattenjagers (natuurkundigen) dat ze in andere huizen moeten zoeken, of misschien is de kat een andere kleur dan ze dachten. De zoektocht gaat door, maar de "makkelijke" verstoppertjes zijn opgehelderd.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektocht naar Langlevende Deeltjes met Behulp van Verplaatste Vertices van Tegengesteld Geladen Leptonen

Probleem en Motivatie
Langlevende deeltjes (LLP's) zijn een goed gemotiveerde voorspelling in diverse uitbreidingen van het Standaardmodel (SM), waaronder Hidden Valley-modellen, gesplitste supersymmetrie, $R$-pariteit schendende (RPV) supersymmetrie en gauge-gemedieerde SUSY-breking. Deze deeltjes bezitten vaak macroscopische vervangingslengten als gevolg van kleine koppelingen, kleine massaverschillen of benaderende symmetrieën. Een neutraal LLP dat vervalt in een paar tegengesteld geladen leptonen ($\mu^+\mu^-$, $e^+e^-$ of $e^\pm\mu^\mp$) produceert een verplaatste vertex (DV) binnen het binnenste sporensysteem, een signatuur met een minimaal SM-achtergrond. Waar eerdere zoektochten van ATLAS en CMS gericht waren op lichtere LLP's of gedeeltelijke datasets gebruikten, adresseert deze analyse de behoefte aan een uitgebreide zoektocht met behulp van de volledige Run-2-dataset om zwaardere massaschalen en een bredere reeks levensduurtijden te onderzoeken, inclusief gemengde leptonenfamilies ($e\mu$), die in deze specifieke context nog niet eerder door ATLAS waren aangepakt.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van 140 fb$^{-1}$ aan proton-proton botsingsdata verzameld door de ATLAS-detector bij $\sqrt{s} = 13$ TeV tussen 2015 en 2018. De zoektocht richt zich op zware, neutrale LLP's die vervallen in dileptonparen binnen de binnenste detector (ID).

• Reconstructie: Om de efficiëntie voor sporen afkomstig van verplaatste vervangingen te herstellen, maakt de analyse gebruik van zowel het Standaard Spoor (ST) algoritme als het Groot Straal Spoor (LRT) algoritme. Het LRT-algoritme versoepelt eisen aan transversale ($d_0$) en longitudinale ($z_0$) impactparameters (tot respectievelijk 300 mm en 1500 mm) en staat meer gedeelde siliciummodules toe. Een speciaal DV-reconstructie-algoritme vormt vertices uit combinaties van ST- en LRT-sporen, waarbij geen hits vereist zijn tussen de vertex en de primaire vertex (PV) en ten minste één hit in de eerste pixel- of SCT-laag als het spoor uit de DV komt.
• Eventselectie: Events worden getriggerd met "MS only" muontriggers ($p_T > 60$ GeV) of fotontriggers (enkele foton $p_T > 140$ GeV of diphoton $p_T > 50$ GeV) om afhankelijkheid van ID-spoorinformatie te vermijden, wat inefficiënt is voor verplaatste objecten. Signaalevents vereisen een PV met ten minste twee sporen, een gereconstrueerde DV met transversale verplaatsing $R_{xy} > 2$ mm, en een DV gelegen binnen $R_{xy} < 300$ mm en $|z_{DV}| < 300$ mm. De invariante massa van het dilepton moet 12 GeV overschrijden. Een kosmische stralingsveto wordt toegepast om tegenover elkaar lopende muonparen te verwerpen.
• Schatting van Achtergrond: SM-achtergronden van prompte vervangingen worden onderdrukt door kinematische en geometrische eisen. De resterende achtergronden worden geschat uit data:
  • Kosmische Straling: Geschat met behulp van een controlegebied met omgekeerde kosmische veto-criteria, waarbij de $\Delta R_{cos}$-verdeling wordt geëxtrapoleerd.
  • Willekeurige Sporkruisingen: Geschat met behulp van een "toy" event-mixingmethode waarbij leptonen uit verschillende data-events worden gecombineerd. Er werden geen gereconstrueerde dilepton-DVs gevonden in $10^6$–$10^8$ toy-events per kanaal, waarmee een bovengrens wordt vastgesteld voor de waarschijnlijkheid van willekeurige kruising.
• Benchmarksmodellen: De resultaten worden geïnterpreteerd in drie modellen:
  1. $Z'$-Model: Paardproductie van een zware scalar $S$ die vervalt in langlevende $Z'$-bosonen, die vervallen in leptonparen.
  2. Gluino-model (RPV MSSM): Paardproductie van gluino's ($\tilde{g}$) die vervallen in quarks en een langlevend neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$), dat via RPV-koppelingen ($\lambda_{121}$ of $\lambda_{122}$) vervalt in $\ell^+\ell'^-\nu$.
  3. EWkino-model (RPV MSSM): Directe productie van elektroweakino's ($\tilde{\chi}^\pm_1\tilde{\chi}^0_1$, enz.) waarbij het $\tilde{\chi}^0_1$ het langlevende LSP is.

Belangrijkste Bijdragen

• Volledige Run-2-dataset: Dit is de eerste gepubliceerde ATLAS-analyse die de volledige 140 fb$^{-1}$ aan Run-2-data gebruikt voor een zoektocht naar verplaatste vertices van dileptonen.
• Dekking van Families: Het is de enige zoektocht die tegelijkertijd verplaatste vertices voor dimuonen, dielektronen en elektron-muonparen omvat.
• Modelonafhankelijkheid: De selectie vereist geen ontbrekende transversale impuls of jets, en staat extra sporen in de DV toe, waardoor de gevoeligheid voor een breed scala aan modellen behouden blijft.
• Reconstructie-efficiëntie: De opname van LRT-sporen en gewijzigde identificatiecriteria verbetert de reconstructie-efficiëntie voor verplaatste leptonen aanzienlijk ten opzichte van eerdere analyses die uitsluitend leunden op standaardsporen of informatie van het muonspectrometer.

Resultaten
Er werden geen events waargenomen in het signaalgebied, wat overeenkomt met de achtergrondsverwachting. Bovengrenzen voor de productiewerkzame doorsneden worden vastgesteld op het 95% betrouwbaarheidsniveau met behulp van de $CL_s$-methode.

• $Z'$-Model: Grenswaarden worden vastgesteld voor scalar-massa's ($m_S$) van 0,5 tot 1,5 TeV en $Z'$-massa's van 100 tot 700 GeV. Voor een vaste $m_S$ worden lichtere $Z'$-bosonen beperkt tot langere levensduurtijden, terwijl zwaardere $Z'$-bosonen worden beperkt tot kortere levensduurtijden als gevolg van kinematische boosts.
• Gluino-model: Voor gluino-massa's ($m_{\tilde{g}}$) van 1,5 tot 2,5 TeV en neutralino-massa's ($m_{\tilde{\chi}^0_1}$) van 0,1 tot 1,7 TeV, sluit de analyse significante delen van de parameter ruimte van de $\lambda_{121}$- en $\lambda_{122}$-koppelingen uit. Voor $m_{\tilde{g}} = 1,5$ TeV worden levensduurtijden ($c\tau$) van 1 tot 10.000 mm uitgesloten voor de meeste neutralino-massa's.
• EWkino-model: Voor neutralino-massa's van 0,1 tot 1,3 TeV sluit de analyse levensduurtijden uit van 1 mm tot enkele meters, afhankelijk van de massa en koppeling. Voor $m_{\tilde{\chi}^0_1} \le 0,5$ TeV wordt het volledige bereik van beschouwde levensduurtijden (1–10.000 mm) uitgesloten.

Betekenis
Het artikel stelt dat deze analyse leidende grenswaarden vaststelt voor de productiewerkzame doorsneden voor meerdere modellen, inclusief parameter ruimten die nog nooit direct zijn onderzocht. Specifiek biedt het de eerste grenswaarden voor zware, langlevende neutralino-modellen met behulp van gluino- en elektroweakino-productiemodi met vervangingen in leptonparen (met uitzondering van gluino-geproduceerde neutralino-vervangingen in muonen, die werden aangepakt in een eerdere zoektocht die uitsluitend het muonspectrometer gebruikte). De resultaten vullen eerdere zoektochten aan door het massabereik uit te breiden en het volledige bereik van Run-2-data te bestrijken, waardoor een robuuste test wordt geboden van RPV-SUSY en generieke $Z'$-scenario's in het regime van zware LLP's.