Search for massive, long-lived particles in events with displaced vertices and displaced muons in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13.6$ TeV with the ATLAS experiment

De ATLAS-experimenten hebben met 164 fb⁻¹ aan data van proton-protonbotsingen bij 13,6 TeV gezocht naar zware, langlevende deeltjes die vervallen in verplaatste vertexen en verplaatste muonen, waarbij geen significante afwijking van de achtergrond werd gevonden en er bovengrenzen werden gesteld aan de productie van dergelijke deeltjes in R-pariteit-schendende supersymmetrische modellen.

De kern

De Jacht op de "Geesten" van het Universum: Een Simpele Uitleg van de ATLAS-Experimenten

Stel je voor dat je een gigantische, supersnelle race organiseert tussen twee auto's (deeltjes) die tegen elkaar botsen. Normaal gesproken gebeurt er direct na de klap een enorme explosie: een regen van nieuwe deeltjes die direct zichtbaar zijn. Dit is hoe de meeste deeltjesfysica werkt.

Maar wat als er na die klap een spook verschijnt? Een deeltje dat niet direct verdwijnt, maar eerst een stukje door de kamer loopt, misschien een drankje pakt, en pas daarna weer verdwijnt? In de wereld van de deeltjesfysica noemen we dit een Langlevend Deeltje (LLP).

Deze paper van het CERN (de Europese organisatie voor kernonderzoek) vertelt over een nieuwe zoektocht naar deze "spookdeeltjes" met de ATLAS-detector, een machine zo groot als een kathedraal die onder de grond bij Genève ligt.

1. Het Mysterie: Waarom zoeken we hier naar?

Het Standaardmodel is ons beste boekje over hoe het universum werkt, maar het heeft hiaten. Het verklaart niet wat donkere materie is, of waarom er meer materie dan antimaterie is. Veel theorieën zeggen dat er nieuwe, zware deeltjes moeten bestaan die langzaam vervallen.

In plaats van direct te verdwijnen, reizen deze deeltjes een stukje door de detector voordat ze uiteenvallen. Ze laten een spoor achter dat eruitziet als een verplaatste hoek (een "Displaced Vertex"). Het is alsof je een auto ziet ontploffen, maar de puinresten vallen pas op de grond als de auto al 5 meter verderop is gereden.

2. De Opdracht: Zoek het spoor en de getuige

De wetenschappers van ATLAS hebben een specifieke strategie bedacht om deze spookdeeltjes te vangen. Ze zoeken naar twee dingen die samen moeten voorkomen:

1. De Verplaatste Hoek (Displaced Vertex): Een plek in de detector waar een nieuw deeltje is ontstaan, ver weg van de oorspronkelijke botsing.
2. De Verplaatste Muon: Een muon (een zwaar broertje van het elektron) dat ook niet direct uit de botsing komt, maar ergens anders vandaan lijkt te komen.

De Creatieve Analogie:
Stel je voor dat je een moordonderzoek doet in een groot stadion.

• De botsing is de explosie in het midden van het veld.
• De verplaatste hoek is een tweede explosie die pas gebeurt in de tribune, ver weg van het veld.
• De verplaatste muon is een getuige die pas een paar seconden later, en ook ver weg van het veld, een schreeuw hoort en wegrent.

Als je beide ziet (een explosie in de tribune én een getuige die erbij wegrent), is de kans groot dat er iets speciaals aan de hand is, en niet gewoon een ongelukje.

3. De Uitdaging: Het ruisen van de achtergrond

Het grootste probleem is dat er duizenden "valse getuigen" zijn.

• Soms ontploft een stukje van de auto zelf (een zwaar quark) en lijkt het alsof er een nieuwe explosie is.
• Soms komt er een straal uit de ruimte (kosmische straling) die het lijkt alsof er een deeltje is.
• Soms is de camera gewoon een beetje defect (reconstructiefouten).

De ATLAS-wetenschappers zijn slimme detectives. Ze gebruiken een data-gedreven methode. In plaats van te gokken hoeveel "valse getuigen" er zijn, kijken ze naar gebieden waar ze weten dat er geen echte spookdeeltjes zitten. Ze meten daar hoe vaak de valse signalen voorkomen en passen dat getal toe op de gebieden waar ze zoeken.

Het is alsof je in een drukke stad zoekt naar iemand die een specifieke rode hoed draagt. Je kijkt eerst naar een rustige hoek van de stad waar je weet dat niemand die hoed draagt, telt hoeveel mensen er toch een rode hoed lijken te hebben (door de zon of een hoed van een ander), en gebruikt dat om je berekening te maken in de drukke winkelstraat.

4. De Resultaten: Geen spook, maar een betere kaart

Wat vonden ze?

• Geen spookdeeltjes gevonden. Ze zagen precies zoveel "verplaatste hoeken" en "getuigen" als ze verwachtten op basis van de bekende natuurkunde. Er was geen extra piek in de data.
• Maar: Omdat ze niets vonden, kunnen ze nu zeggen: "Als deze spookdeeltjes bestaan, moeten ze lichter zijn dan X of ze moeten sneller verdwijnen dan Y."

Ze hebben de "jachtgebied" voor deze deeltjes enorm vergroot.

• Voor Higgsino's (een soort theorectisch deeltje) kunnen ze nu zeggen: "Als ze bestaan, zijn ze zwaarder dan 1600 GeV of ze leven langer dan we dachten."
• Voor Top-squarks (nog een ander theorectisch deeltje) hebben ze de grens verlegd tot 1850 GeV.

5. Waarom is dit belangrijk?

Zelfs al vonden ze niets, is dit een enorme overwinning.

• Technologie: Ze hebben nieuwe "triggers" (de beveiligingscamera's van de detector) ontwikkeld die veel gevoeliger zijn. Ze kunnen nu deeltjes vangen die langzamer en lichter zijn dan voorheen mogelijk was.
• Uitsluiting: In de wetenschap is het net zo belangrijk om te weten wat niet bestaat als wat wel bestaat. Door deze gebieden af te bakenen, dwingen ze theoretici om hun theorieën aan te passen. Als een theorie voorspelt dat deze deeltjes hier zouden moeten zijn, maar ze zijn hier niet, dan is die theorie waarschijnlijk fout.

Conclusie:
De ATLAS-collaboratie heeft de grond afgezocht op zoek naar de "geesten" van het universum. Ze hebben ze niet gevonden, maar ze hebben wel een veel betere kaart getekend van waar ze niet zitten. Dit betekent dat de zoektocht naar het mysterie van donkere materie en de oorsprong van het universum een stap verder is gekomen. De jacht gaat door, maar nu met scherpere camera's en een beter idee van waar we moeten graven.

Technische samenvatting

Titel: Zoeken naar massieve, langlevende deeltjes in gebeurtenissen met verplaatste vertices en verplaatste muonen in pp-botsingen bij √s = 13,6 TeV met het ATLAS-experiment

Auteurs: The ATLAS Collaboration
Datum: 3 maart 2026
Data: 164 fb⁻¹ geïntegreerde lichtkracht (2022–2024, Run 3)

---

1. Het Probleem en de Motivatie

Het Standaardmodel (SM) van de deeltjesfysica is succesvol, maar kan fundamentele vragen niet beantwoorden, zoals de aard van donkere materie, de materie-antimaterie-asymmetrie in het universum en de oorsprong van neutrino-massa's. Veel theorieën die het SM uitbreiden (BSM), zoals Supersymmetrie (SUSY) met R-pariteit schending (RPV), voorspellen het bestaan van langlevende deeltjes (LLP's).

Deze deeltjes reizen een meetbare afstand door de detector voordat ze vervallen, wat leidt tot een unieke signatuur: een verplaatste vertex (DV). Traditionele zoektochten richten zich vaak op direct vervallende deeltjes. Dit paper richt zich specifiek op scenario's waarbij LLP's vervallen in het binnenste detectorgedeelte van ATLAS, resulterend in een topologie met:

• Minstens één massieve, verplaatste vertex (met meerdere geassocieerde sporen).
• Minstens één muon met een grote transversale impactparameter ($d_0$) ten opzichte van het primaire interactiepunt.
• De muon hoeft niet direct gekoppeld te zijn aan de DV, wat de modelonafhankelijkheid vergroot.

2. Methodologie

Data en Trigger:

• Gebruikt data van proton-proton botsingen bij een centrum-massa-energie van 13,6 TeV (Run 3 van de LHC).
• Gebruikt een nieuwe gedediceerde trigger voor verplaatste muonen die in Run 3 is geïntroduceerd. Deze trigger kan muonen met een transversale impuls ($p_T$) zo laag als 20 GeV detecteren, wat de gevoeligheid voor lichtere LLP's aanzienlijk verbetert ten opzichte van eerdere runs.
• De analyse selecteert gebeurtenissen met een DV en een verplaatste muon.

Reconstructie en Selectie:

• Sporen: Gebruikt een "groot impact-parameter"-pass om sporen te reconstrueren met $|d_0|$ tot 300 mm.
• Vertices: DV's worden gereconstrueerd met een aangepast algoritme. Ze moeten zich binnen het fiduciale volume bevinden ($R_{xy} < 300$ mm, $|z| < 300$ mm) en een minimum afstand tot de primaire vertex hebben ($d_T > 1$ mm).
• Categorieën: DV's worden ingedeeld in "ver" ($d_T \ge 4$ mm) en "nabij" ($1 < d_T < 4$ mm).
• Signaalcriteria: Een DV wordt als signaal-achtig beschouwd als deze ten minste 4 sporen heeft en een invariant massa heeft van $\ge 20$ GeV (ver) of $\ge 40$ GeV (nabij).
• Muon-selectie: Muonen moeten $p_T > 25$ GeV hebben, $2 < |d_0| < 300$ mm, en voldoen aan strikte isolatie- en kwaliteitscriteria om achtergrond te onderdrukken (zware-flavor verval, kosmische straling, en algoritmische nep-muonen).

Achtergrondschatting (Data-driven):

• Er wordt geen gebruik gemaakt van Monte Carlo-simulaties voor de achtergrond, maar van een volledig data-gedreven transfer-factor (TF) methode.
• De methode maakt gebruik van exclusieve regio's in de data:
  • Regio A: Signaalregio (voldoet aan alle criteria).
  • Regio B: Muon-veto gefaald, DV-criteria voldaan.
  • Regio C: Muon-veto voldaan, DV-criteria gefaald.
  • Regio D: Beide criteria gefaald.
• De achtergrond in regio A wordt geschat via $N_A = N_B \times (N_C / N_D)$. De transfer factor ($N_C/N_D$) wordt bepaald voor verschillende achtergrondbronnen (zware-flavor, kosmische straling, algoritmische fakes).

Simulatie en Benchmark Modellen:
De resultaten worden geïnterpreteerd in drie RPV-SUSY scenario's:

1. Higgsino-paarproductie met lepton-getal schendende ($L$-violating) vervallen ($\lambda'_{211}$).
2. Higgsino-paarproductie met baryon-getal schendende ($B$-violating) vervallen ($\lambda''_{323}$).
3. Top-squark ($\tilde{t}$) paarproductie met $L$-violating vervallen ($\lambda'_{233}$).

3. Belangrijkste Resultaten

Observaties:

• Er werden 3 gebeurtenissen waargenomen in de "verre" signaalregio (SRfar) en 1 gebeurtenis in de "nabije" signaalregio (SRnear).
• Deze waarnemingen zijn volledig consistent met de voorspelde achtergrond (respectievelijk $1,8 \pm 1,1$ en $2,9 \pm 0,8$).
• Er is geen significant excess boven de verwachte achtergrond gevonden.

Beperkingen (Limits):

• Model-onafhankelijk: Er zijn 95% betrouwbaarheidsniveaus (CL) bovenlimieten gesteld op het zichtbare werkzame oppervlak ($\langle \sigma A \epsilon \rangle$) voor processen met een DV en een verplaatste muon.
• Model-afhankelijk (SUSY):
  • Higgsino's ($\lambda'_{211}$): Massa's tot 1600 GeV zijn uitgesloten voor een levensduur van 0,1 ns. Voor levensduren tussen 1 ps en 100 ns zijn massa's tussen 100 GeV en minstens 450 GeV uitgesloten. Dit is een verbetering met ongeveer twee orde van grootte in de werkzame oppervlak-limieten ten opzichte van Run-1 resultaten.
  • Higgsino's ($\lambda''_{323}$): De levensduur-bereik is uitgebreid tot 100 ns, wat complementair is met eerdere CMS-zoektochten.
  • Top-squarks: Massa's tot 1850 GeV zijn uitgesloten voor een levensduur van 0,1 ns. Massa's tussen 700 GeV en 1500 GeV zijn uitgesloten voor levensduren tussen 10 ps en 5 ns.

4. Bijdragen en Significatie

• Technologische Vooruitgang: De analyse benadrukt het succes van de nieuwe Run-3 trigger-systemen en geavanceerde reconstructie-algoritmen voor sporen met grote impactparameters. Dit stelt ATLAS in staat om gevoelig te zijn voor lichtere deeltjes en kortere levensduren dan eerder mogelijk was.
• Uitgebreide Zoektocht: De studie dekt een breder parametergebied af, met name voor langere levensduren (tot 100 ns) en lagere massa's, wat cruciaal is voor het testen van specifieke RPV-SUSY modellen en andere BSM-theorieën.
• Robuuste Achtergrondschatting: De toepassing van een volledig data-gedreven methode voor achtergronden, inclusief zorgvuldige validatie in controle-regio's, garandeert de betrouwbaarheid van de resultaten zonder afhankelijkheid van simulaties voor de achtergrondmodellering.
• Complementariteit: De resultaten vullen eerdere zoektochten van ATLAS en CMS aan, met name door unieke gevoeligheid te bieden bij grotere verplaatsingen (grotere $d_0$) waar eerdere zoektochten minder gevoelig waren.

Conclusie:
Hoewel er geen nieuw fysica-signaal is gevonden, stelt deze analyse de strengste limieten tot nu toe voor bepaalde RPV-SUSY-scenario's bij 13,6 TeV. Het bewijst de effectiviteit van de nieuwe Run-3 strategieën voor het opsporen van langlevende deeltjes en sluit grote delen van de parameter ruimte voor higgsino's en top-squarks uit.