Searches for strong production of supersymmetric particles with the ATLAS detector

Dit artikel presenteert de nieuwste ATLAS-resultaten van LHC-botsingen bij 13 en 13,6 TeV over zoektochten naar de sterke productie van supersymmetrische deeltjes, specifiek gericht op gluino's en squarks (inclus_top deeltjes) over diverse vervalmodi om natuurlijkheid aan te pakken en verder te gaan dan minimale scenario's.

De kern

Stel je het universum voor als een gigantische, razendsnelle racebaan genaamd de Large Hadron Collider (LHC). Binnen deze baan laten wetenschappers minuscule deeltjes met bijna de snelheid van het licht op elkaar botsen om te zien wat er gebeurt. De ATLAS-detector is als een enorme, ultrasnelle camera die probeert elk detail van deze botsingen vast te leggen.

Het artikel dat je leest is een rapport van een team wetenschappers (de ATLAS-collaboratie) die op zoek zijn naar "geesten" in de machine. Deze geesten zijn theoretische deeltjes genaamd supersymmetrische deeltjes (of "sparticles").

Het Grote Idee: De Schaduwwereld

Volgens onze huidige beste kaart van het universum (het Standaardmodel) heeft elk bekend deeltje een "schaduwtweeling" die we nog niet hebben gevonden.

• Als je een zware quark hebt (een bouwsteen van materie), dan is zijn schaduwtweeling een squark.
• Als je een gluon hebt (de lijm die atomen bij elkaar houdt), dan is zijn schaduwtweeling een gluino.

De wetenschappers geloven dat deze schaduwtweelingen grote mysteries kunnen oplossen, zoals waarom het universum "donkere materie" heeft (de onzichtbare materie die sterrenstelsels bij elkaar houdt). De theorie suggereert dat als deze tweelingen bestaan, de lichtste van hen stabiel is en de donkere materie zou kunnen zijn waar we naar op zoek zijn.

De Jacht: Vier Verschillende Zoektochten

Het artikel beschrijft vier specifieke "jachten" waar de wetenschappers op zijn gegaan, gebruikmakend van gegevens van botsingen bij twee verschillende energieniveaus (zoals de racebaan rijden op 13 en 13,6 op de snelheidsmeter). Ze zochten naar specifieke combinaties van deeltjes die zouden verschijnen als deze schaduwtweelingen zouden worden gecreëerd en vervolgens direct uit elkaar zouden vallen.

Hier is een eenvoudige uitsplitsing van de vier zoektochten:

1. De "Zware Top" Jacht (Zoektocht 1)

• Het Doel: Ze zochten naar paren "stop squarks" (de schaduwtweeling van de topquark, het zwaarste bekende deeltje).
• Het Scenario: Stel je voor dat twee zware dozen (stop squarks) tegen elkaar botsen en openbreken. Daarbinnen verwachten ze een paar topquarks en twee onzichtbare "geesten" (de kandidaten voor donkere materie) te vinden.
• De Truc: Ze keken naar twee verschillende manieren waarop de dozen konden openbreken:
  • De "Resolved" manier: De stukken vliegen zo langzaam uiteen dat ze duidelijk als afzonderlijke energiejets te zien zijn.
  • De "Boosted" manier: De stukken vliegen zo snel uiteen dat ze samensmelten tot één enkele, gigantische klodder energie.
• Het Resultaat: Ze hebben de dozen niet gevonden. Ze stelden een regel vast: "Als deze stop squarks bestaan, moeten ze zwaarder zijn dan 1.230 GeV." (Denk hierbij aan het zeggen: "Als de geest bestaat, moet hij zwaarder zijn dan een blauwe vinvis.")

2. De "Charm Switch" Jacht (Zoektocht 2)

• Het Doel: Ze zochten naar stop squarks die in "charm quarks" zouden kunnen veranderen (een lichtere neef van de topquark) in plaats van topquarks. Dit is een beetje alsocht zoeken naar een gedaanteverwisselaar.
• Het Scenario: Ze zochten naar een specifieke handtekening: één zware jet (van een topquark) en één charm jet, zonder zichtbare elektronen of muonen, alleen ontbrekende energie.
• Het Resultaat: Geen gedaanteverwisselaars gevonden. Ze sloten stop squarks uit tot 800 GeV in de meeste gevallen, en tot 600 GeV als de deeltjes qua gewicht heel dicht bij elkaar liggen (een "gecomprimeerd" scenario).

3. De "Dubbele Charm" Jacht (Zoektocht 3)

• Het Doel: Ze zochten naar paren stop squarks of charm squarks die beide veranderen in charm quarks.
• Het Scenario: Dit is als het zoeken naar een paar tweelingen die beide veranderen in dezelfde lichtere broer of zus. Ze zochten naar twee charm jets en ontbrekende energie.
• Het Resultaat: Nog steeds geen geesten. Ze trokken de grens nog verder op en zeiden dat deze deeltjes ongeveer 900 GeV zwaarder moeten zijn als ze bestaan.

4. De "Gluino & Squark" Jacht (Zoektocht 4)

• Het Doel: Dit was het grootste net, gericht op het zoeken naar gluino's (lijm-schaduwen) en andere squarks die vervallen in "tau leptonen" (zware neven van elektronen).
• De Strategie: Ze gebruikten twee verschillende detectietools:
  • Cut-and-Count: Een traditionele methode waarbij strikte regels worden ingesteld (bijv. "Tel alleen gebeurtenissen met energie boven X").
  • Machine Learning: Een AI-brein dat getraind is om subtiele patronen te herkennen die mensen misschien missen, door gebeurtenissen te sorteren in "signaal" of "achtergrondruis".
• Het Result Resultaat: De AI en de traditionele methode waren het met elkaar eens: geen gluino's of squarks gevonden. Ze stelden de strengste limieten tot nu toe vast, zeggende dat gluino's zwaarder moeten zijn dan 2,25 TeV (meer dan 2.000 keer de massa van een proton) en squarks zwaarder dan 1,7 TeV.

De Kern van het Verhaal

Dit artikel is in feite een "Gezocht"-poster die zegt: "We hebben overal gezocht, we hebben onze beste camera's en slimste AI gebruikt, maar we hebben deze supersymmetrische deeltjes niet gevonden."

Omdat ze niets vonden, hebben ze in deze specifieke run geen nieuwe fysica ontdekt. In plaats daarvan hebben ze een lijn in het zand getrokken. Ze hebben de theoretisch fysici verteld: "Als deze deeltjes bestaan, zijn ze zwaarder dan we dachten. Jullie moeten jullie kaarten bijwerken om naar zwaardere geesten te zoeken."

Kortom: de jacht gaat door, maar de "makkelijke" geesten (de lichte varianten) zijn uitgesloten.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektochten naar sterke productie van supersymmetrische deeltjes met de ATLAS-detector

Probleem en Motivatie
Ondanks de precisie van het Standaardmodel (SM) blijven onopgeloste kwesties zoals het hiërarchieprobleem, het gebrek aan een fundamentele unificatie van interacties en de afwezigheid van een kandidaat voor donkere materie bestaan. Supersymmetrie (SUSY) biedt een theoretisch kader dat deze problemen aanpakt door een superpartner voor elk SM-deeltje te postuleren. In het Minimaal Supersymmetrisch Standaardmodel (MSSM) zorgt het behoud van R-pariteit voor de stabiliteit van het Lichtste Supersymmetrische Deeltje (LSP), doorgaans het lichtste neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$), wat het een levensvatbare kandidaat voor donkere materie maakt.

Naturaliteitsargumenten suggereren dat de supersymmetrische partners van gluonen (gluino's, $\tilde{g}$) en derde-generatie quarks (squarks, specifiek de stop $\tilde{t}_1$) licht genoeg zouden moeten zijn om geproduceerd te worden bij de Large Hadron Collider (LHC). Hoewel klassieke MSSM-scenario's geconfronteerd worden met steeds strengere massalimieten, blijven variaties met niet-minimale deeltjesinhoud en flavortructuren van groot belang. Dit artikel presenteert een compilatie van recente zoektochten door de ATLAS-collaboratie gericht op de sterke productie van deze deeltjes.

Methodologie en Datasets
De analyses maken gebruik van proton-proton botsingsdata verzameld door de ATLAS-detector bij middencentre-energieën van $\sqrt{s} = 13$ TeV (Run 2, 2015–2018, $\sim$139–140 fb$^{-1}$) en $\sqrt{s} = 13,6$ TeV (gedeeltelijke Run 3, 2022–2023, 51,8 fb$^{-1}$). De zoektochten richten zich op eindtoestanden die gekenmerkt worden door jets, leptonen (inclusclusief hadronisch vervallende $\tau$-leptonen) en significante ontbrekende transversale energie ($E^{\text{miss}}_T$), wat wijst op de aanwezigheid van stabiele LSP's.

Vier verschillende zoekstrategieën worden gedetailleerd beschreven:

1. Stop-paarproductie ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to t\bar{t}\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Vervalmodi: Beslaat zowel twee-lichaam vervallen (grote massasplitsing, $\Delta m > m_t$) als drie-lichaam vervallen (intermediaire massasplitsing, $m_W < \Delta m < m_t$).
   • Eindtoestand: Eén geïsoleerd lepton, jets en $E^{\text{miss}}_T$.
   • Strategie: Events worden gecategoriseerd in "resolved" (lage-$p_T$ tops, $E^{\text{miss}}_T > 230$ GeV) en "boosted" (hoge-$p_T$ tops, large-R jets) regio's. Signaalregio's (SR's) worden gedefinieerd door b-jet multipliciteit en top-tagging. Een neuraal netwerk (NN) wordt ingezet om de signaal/achtergrond-discriminatie te verbeteren. Achtergronden ($t\bar{t}$, single-top, $W$+jets) worden geschat met behulp van controle-regio's (CR's) en kinematische variabelen zoals transversale massa ($m_T$) en leptonlading.

2. Stop-paarproductie met flavieviolatie ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to tc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Model: Onderzoekt niet-minimale flavieviolatie (MFV) waarbij $\tilde{t}_1$ evenveel vervalt naar $t\tilde{\chi}^0_1$ of $c\tilde{\chi}^0_1$.
   • Eindtoestand: Eén b-getagde jet, één c-getagde jet, geen leptonen, en grote $E^{\text{miss}}_T$.
   • Strategie: Maakt gebruik van een gespecialiseerd c-tagging algoritme (gebaseerd op DL1r) om charm-jets te identificeren. De faseruimte is verdeeld in "bulk", "intermediaire" (boosted/resolved) en "gecomprimeerde" regio's. In gecomprimeerde scenario's worden initial state radiation (ISR) jets en NN-training gebruikt om de gevoeligheid te vergroten.

3. Stop- en charm-squarkproductie ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1, \tilde{c}_1\tilde{c}_1 \to cc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Model: Richt zich op minimale flavieviolatie waarbij charm-squarks ($\tilde{c}_1$) mogelijk lichter zijn dan andere squarks.
   • Eindtoestand: Twee c-getagde jets, geen leptonen, en $E^{\text{miss}}_T$.
   • Strategie: Onderzoekt hoge-massa ($m \gtrsim 600$ GeV) en gecomprimeerde ($\Delta m < 175$ GeV) regio's. De gecomprimeerde regio vertrouwt op hoog-momentum ISR jets en recursive jigsaw reconstruction (RJR), terwijl de leidende jet vereist is dat deze niet c-getagd is om achtergrond te onderdrukken.

4. Gluino- en squark-paarproductie ($\tilde{g}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{q}$):

   • Vervalmodi: Betreft vervallen naar $\tau$-sleptonen ($\tilde{\tau}$) en $\tau$-sneutrinos ($\tilde{\nu}_\tau$).
   • Eindtoestanden: Drie kanalen gebaseerd op $\tau$- en lepton-inhoud: 1$\tau$0lep, 1$\tau$1lep, en 2$\tau$.
   • Strategie: Twee benaderingen worden vergeleken: een traditionele "cut-and-count" methode gebruikmakend van $E^{\text{miss}}_T$ variabelen en een machine learning-benadering gebruikmakend van Boosted Decision Trees (BDTs) voor multiclass classificatie tegen achtergronden ($W/Z$+jets, diboson, top, fake-$\tau$).

Belangrijkste Resultaten
Er werd geen significante overmaat van events boven de verwachte SM-achtergrond waargenomen in een van de geanalyseerde kanalen. Bijgevolg zijn uitsluitingslimieten op 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) vastgesteld:

• Stop-paren ($t\bar{t} + E^{\text{miss}}_T$): De single-lepton analyse verbetert de gevoeligheid in regio's met kleine massasplitsing. Gecombineerd met zero-lepton resultaten, zijn top-squark massa's uitgesloten tot 1230 GeV (voor een massaloze $\tilde{\chi}^0_1$) en neutralino-massa's tot 570 GeV.
• Flavie-violerende stop-paren ($tc + E^{\text{miss}}_T$): Top-squark massa's zijn uitgesloten tot 800 GeV (massaloze $\tilde{\chi}^0_1$) en 600 GeV in het gecomprimeerde scenario. Dit resultaat wordt ook geherinterpreteerd om nieuwe mediatoren die donkere materie aan SM-quarks koppelen uit te sluiten tot 1,2 TeV.
• Stop/Charm-squark-paren ($cc + E^{\text{miss}}_T$): Top/charm-squark massa's zijn uitgesloten tot ongeveer 900 GeV (massaloze $\tilde{\chi}^0_1$), wat een verbetering is van ongeveer 100 GeV ten opzichte van eerdere ATLAS-limieten.
• Gluino- en squark-paren:
  • Gluino-massa's zijn uitgesloten tot 2,25 TeV (met neutralino's tot 1,35 TeV voor $m_{\tilde{g}} \approx 2$ TeV).
  • Squark-massa's zijn uitgesloten tot 1,7 TeV (met neutralino's tot 0,85 TeV).
  • De machine learning-benadering vertoont superieure gevoeligheid voor hogere gluino/squark massa's en grotere neutralino-massa's, terwijl de cut-and-count methode beter presteert in de gecomprimeerde fase-ruimte vanwege hogere event-opbrengsten en specifieke selecties.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt de meest recente resultaten van het ATLAS-experiment te presenteren, waarbij de zoektocht naar sterk geproduceerde supersymmetrische deeltjes wordt uitgebreid naar nieuwe vervalmodi en kinematische regimes. De significantie ligt in:

1. Verbreding van de Zoekscope: Het verder gaan dan klassieke MSSM-scenario's om ook niet-minimale flavieviolatie en gecomprimeerde spectra te omvatten.
2. Technologische Vooruitgang: De succesvolle implementatie en optimalisatie van c-tagging algoritmen en de toepassing van machine learning (NN's en BDT's) om de signaal-achtergrond discriminatie in complexe eindtoestanden te verbeteren.
3. Bijgewerkte Beperkingen: Het verstrekken van de meest strikte uitsluitingslimieten tot nu toe voor specifieke SUSY-scenario's, met name in de gecomprimeerde massaregio's en voor flavie-violerende vervallen, waardoor de parameterruimte voor levensvatbare supersymmetrische modellen wordt verkleind.

De auteurs concluderen dat hoewel er geen bewijs voor SUSY is gevonden, deze resultaten de experimentele grenzen voor de sterke productie van gluino's, stops en charm-squarks bij de LHC aanzienlijk verfijnen.