Search for Z' bosons decaying into charginos in final states with two oppositely charged leptons and missing transverse momentum in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Deze studie van het CMS-experiment, gebaseerd op 138 fb⁻¹ aan data van proton-protonbotsingen bij 13 TeV, zoekt naar zware leptofobische Z'-bosonen die vervallen in chargino's in een eindtoestand met twee tegengesteld geladen leptonen en ontbrekende transversale impuls, waarbij geen afwijkingen van het Standaardmodel werden gevonden en er bovengrenzen werden gesteld aan het productie-kruissectie, wat leidt tot de uitsluiting van Z'-bosonen met massa's tot ongeveer 3,5 TeV.

De kern

De Jacht op de Onzichtbare "Leegte": Een Verhaal over CERN en de Zoektocht naar Nieuwe Deeltjes

Stel je voor dat het Universum een gigantisch, onzichtbaar tapijt is. We weten dat er onder het tapijt deeltjes zijn die we kunnen zien, zoals elektronen en quarks. Maar wat als er ook deeltjes onder het tapijt sluipen die we nooit kunnen zien, omdat ze geen contact maken met licht of elektriciteit?

Dit is het verhaal van een nieuw onderzoek van het CMS-experiment bij CERN (het Europees Laboratorium voor Kernfysica). Ze hebben een enorme zoektocht gedaan naar een heel speciaal deeltje: een Z'-boson. Maar niet zomaar eentje, en zeker niet zoals de deeltjes die we al kennen.

Hier is hoe het werkt, verteld als een spannend detectiveverhaal:

1. De Verdachte: De "Leegte-Geest" (Leptofobische Z')

In de wereld van deeltjesfysica hebben we al een bekend deeltje genaamd de Z-boson. Die gedraagt zich als een sociale gast: hij praat met bijna iedereen, inclusief elektronen en muonen (de "leptonen").

Maar de verdachte in dit verhaal is de Z'-boson. Dit deeltje is een antisociale "geest".

• De Analogie: Stel je voor dat je een feestje geeft. De gewone Z-boson is de gast die overal rondloopt, iedereen begroet en met iedereen dansen gaat. De Z'-boson is echter een "leptofobische" gast. Hij wil absoluut niet met de elektronen en muonen dansen. Hij loopt dwars door hen heen alsof ze niet eens bestaan.
• Waarom is dit cool? Omdat hij zo'n goede "vermomming" heeft, hebben we hem nog nooit gezien. De oude zoektochten (die keken naar deeltjes die wel met elektronen dansen) hebben hem gemist.

2. Het Misdrijf: De "Geestelijke" Dans

De theorie zegt dat deze Z'-boson niet alleen maar rondloopt, maar dat hij snel uit elkaar valt in twee andere geheimzinnige deeltjes: chargino's.

• Het Proces: De Z'-boson (de geest) splitst zich in twee chargino's. Deze chargino's zijn ook vreemde vogels. Ze vallen weer uit elkaar in:
  1. Een W-boson (die op zijn beurt weer in een licht deeltje en een neutrino valt).
  2. Een neutralino (dit is de "heilige graal": een stabiel, onzichtbaar deeltje dat misschien wel donkere materie is, het lijmstof van het heelal).

Het spoor: Omdat de neutralino's onzichtbaar zijn en wegvluchten, laten ze een "gat" achter in de energiebalans. In de taal van de fysici noemen we dit ontbrekende transversale impuls (missing transverse momentum).
Het enige wat we overhouden van dit hele spektakel zijn twee geladen deeltjes (elektronen of muonen) die in tegengestelde richtingen vliegen, en een groot "gat" in de energie.

3. De Speurders: Het CMS-experiment

De CMS-detector is als een gigantische, supergeavanceerde camera die 40 miljoen keer per seconde foto's maakt van botsende protonen (zoals twee auto's die met enorme snelheid tegen elkaar aanrijden).

• Ze hebben data gebruikt van 2016, 2017 en 2018.
• Dat is ongeveer 138 "fotoalbums" aan data (in de fysica noemen we dit geïntegreerde luminositeit).
• Ze zochten specifiek naar botsingen waar twee tegengesteld geladen deeltjes uit vlogen en er veel energie ontbrak.

4. De Oplossing: De "Slimme AI" (Parametrische Neuronale Netwerken)

Het probleem? De achtergrondruis (gewone botsingen die we al kennen) lijkt heel erg op het signaal dat ze zoeken. Het is alsof je in een drukke stad probeert een specifieke stem te horen tussen duizenden mensen die praten.

Om dit op te lossen, gebruikten ze geen simpele filters, maar een Parametrische Neuronale Netwerk (PNN).

• De Analogie: Stel je voor dat je een detective bent die duizenden verdachten moet screenen. Een gewone detective kijkt naar één ding (bijv. "heeft hij een hoed op?").
• Deze AI-detective is echter een genie. Hij kijkt naar alles tegelijk: hoe snel rennen de deeltjes? Hoe ver zijn ze van elkaar? Wat is de hoek? En hij kan zijn "brein" aanpassen. Als je hem vraagt: "Zoek naar een verdachte die 2.5 TeV weegt", doet hij dat. Vraag je hem: "Zoek naar een die 3.5 TeV weegt", past hij zijn zoekstrategie direct aan zonder dat je hem opnieuw moet programmeren.

5. De Uitslag: Geen Geest Gevonden (Maar Wel een Sterk Bewijs)

Wat vonden ze?

• Geen bewijs: Ze zagen geen enkel spoor van deze Z'-boson. De data paste perfect bij wat we al wisten (het Standaardmodel).
• Maar... Ze hebben wel een verboden zone gecreëerd.

Stel je voor dat je een jager bent die een dier zoekt dat misschien wel bestaat. Je vindt het niet, maar je kunt zeggen: "Als dit dier bestaat, dan kan het niet zwaarder zijn dan 3.500 kilo, en het kan niet lichter zijn dan 400 kilo."

• Ze hebben bewezen dat als deze Z'-boson bestaat, hij niet lichter kan zijn dan ongeveer 3.5 TeV (dat is ongeveer 3.500 keer zo zwaar als een proton!).
• Voor de chargino's (de kinderen van de Z') hebben ze uitgesloten dat ze tussen de 400 en 1.400 GeV wegen, als de Z' 2.9 TeV weegt.

Conclusie

Dit onderzoek is als het zoeken naar een naald in een hooiberg, waarbij je de naald niet eens kunt zien, maar alleen het gat dat hij in het hooi maakt.

Hoewel ze de "geest" (de Z'-boson) niet hebben gevonden, hebben ze de zoektocht enorm verfijnd. Ze hebben de "verboden zones" voor deze deeltjes groter gemaakt. Het betekent dat als deze deeltjes bestaan, ze nog zwaarder en nog moeilijker te vinden zijn dan we dachten. En dat is ook een winst: het helpt ons te begrijpen hoe het universum echt in elkaar zit, zelfs als we de deeltjes zelf nog niet hebben gevangen.

Kortom: Geen nieuwe deeltjes gevonden, maar wel een heel scherpe "veiligheidszone" getekend waar ze niet kunnen zitten. De jacht gaat door!

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het paper "Search for Z′ bosons decaying into charginos in final states with two oppositely charged leptons and missing transverse momentum in pp collisions at √s = 13 TeV" van de CMS-samenwerking, weergegeven in het Nederlands.

Probleemstelling en Theoretische Context

De zoektocht naar nieuwe fysica buiten het Standaardmodel (SM) is een van de belangrijkste doelen van de Large Hadron Collider (LHC). Hoewel veel zoektochten zich hebben gericht op directe resonantie-afbraak van zware $Z'$-bosonen naar SM-deeltjes (zoals leptonparen), zijn er theoretische scenario's waarin deze $Z'$-bosonen "leptofobisch" zijn. Dit betekent dat hun afbraak naar geladen leptonen sterk onderdrukt is, waardoor ze ontsnappen aan de strenge beperkingen van eerdere dilepton-zoektochten.

Dit paper richt zich specifiek op het UMSSM-scenario (U(1)′-extended Minimal Supersymmetric Standard Model), afgeleid van de $E_6$-unificatie. In dit model kan een $Z'$-boson voornamelijk afbreken naar supersymmetrische deeltjes, namelijk een paar chargino's ($\tilde{\chi}^\pm_1$). Deze chargino's breken vervolgens af in een $W$-boson en het lichtste neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$), dat als stabiel donkere materie-kandidaat fungeert. De $W$-bosonen breken leptonisch af, wat leidt tot een uniek signaal: twee tegenovergestelde geladen leptonen ($e^\pm, \mu^\pm$) en een groot tekort aan transversale impuls ($p^{\text{miss}}_T$) veroorzaakt door de twee onzichtbare neutralino's.

De uitdaging is dat dit signaal moeilijk te onderscheiden is van de dominante SM-achtergronden (zoals $t\bar{t}$, $WW$, en $tW$), die vergelijkbare kinematische eigenschappen kunnen vertonen.

Methodologie

Data en Experiment:

• Data: Geanalyseerde proton-proton botsingen bij een zwaartepuntsenergie van $\sqrt{s} = 13$ TeV, verzameld door het CMS-experiment in 2016, 2017 en 2018.
• Geïntegreerde lichtsterkte: Totaal 138 fb$^{-1}$.
• Signaalkanaal: $pp \to Z' \to \tilde{\chi}^+_1 \tilde{\chi}^-_1 \to (W^+ \tilde{\chi}^0_1)(W^- \tilde{\chi}^0_1) \to \ell^+ \nu \tilde{\chi}^0_1 \ell^- \nu \tilde{\chi}^0_1$.

Selectie van Evenementen:

• Triggers: Enkele elektron- of muon-triggers met $p_T$-drempels variërend van 24 tot 32 GeV.
• Objecten: Precisie-reconstructie van elektronen en muonen (met isolatie-eisen) en jets.
• Selectiecriteria:
  • Exact twee tegenovergestelde geladen leptonen (in kanalen $e^+e^-$, $\mu^+\mu^-$, en $e^\pm\mu^\mp$).
  • Leptonen met hoge $p_T$ (leidende lepton > 80 GeV, volgend > 40 GeV).
  • Invariante massa van het leptonpaar ($m_{\ell\ell}$) > 100 GeV (onderdrukking van $Z$-boson achtergrond).
  • Grote missing transverse momentum ($p^{\text{miss}}_T > 100$ GeV).
  • Geen $b$-geïdentificeerde jets (om $t\bar{t}$-achtergrond te verminderen).

Statistische Analyse en Machine Learning:

• Parametriseerbaar Neuraal Netwerk (PNN): In plaats van aparte netwerken voor elke massahypothese, werd een PNN gebruikt. Dit netwerk neemt de massa's van de $Z'$ en de chargino als invoerparameters. Hierdoor kan het model leren over een continuüm van massapunten zonder hertraining voor elk specifiek punt.
• Invoervariabelen: Het netwerk gebruikt kinematische variabelen zoals $p_T$ van leptonen, $m_{\ell\ell}$, $p^{\text{miss}}_T$, transversale massa ($m_T$), en de "stransverse mass" ($M_{T2}$), evenals hoekafstanden ($\Delta R$, $\Delta \phi$).
• Achtergrondschattting: De dominante achtergronden ($t\bar{t}$, $WW$, DY) werden geschat via Monte Carlo-simulaties, genormaliseerd door een gelijktijdige fit in het Signaalgebied (SR) en drie Controlegebieden (CR) die gedomineerd worden door specifieke achtergronden.
• Statistiek: Een binned likelihood-fit werd uitgevoerd om de PNN-score-verdelingen te analyseren. De resultaten werden geïnterpreteerd met de CL$_s$-methode om bovengrenzen te stellen.

Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste Zoektocht naar dit Specifieke Kanaal: Dit is de eerste zoektocht met LHC-data naar leptofobische $Z'$-bosonen die specifiek afbreken naar chargino-paren, een scenario dat eerder niet was onderzocht door ATLAS of CMS.
2. Implementatie van PNN: Het succesvolle gebruik van een parametriseerbaar neuraal netwerk om de gevoeligheid te maximaliseren over een breed spectrum van $Z'$- en chargino-massa's, in plaats van te vertrouwen op discrete massapunten.
3. Uitgebreide Analyse: Een combinatie van drie lepton-kanaalcombinaties ($ee$, $\mu\mu$, $e\mu$) met een geavanceerde achtergrondnormalisatie via controlegebieden.

Resultaten

• Overeenkomst met Standaardmodel: De gemeten verdelingen van de PNN-scores in de data komen goed overeen met de verwachtingen van het Standaardmodel. Er werden geen significante afwijkingen waargenomen.
• Lokale Afwijkingen: In het $\mu^+\mu^-$-kanaal werd een lichte excess waargenomen in het signaal-achtige bin (PNN-score dicht bij 1) met een lokale significantie van 2 tot 3 standaardafwijkingen, afhankelijk van de massahypothese. Dit werd echter niet als bewijs voor nieuwe fysica beschouwd gezien de statistische fluctuaties en het gebrek aan consistentie in andere kanalen.
• Uitsluitingsgrenzen:
  • Er werden bovengrenzen gesteld aan het productiecross-sectie van de $Z'$ als functie van de $Z'$- en chargino-massa.
  • Voor het specifieke geval waarbij de $Z'$ uitsluitend afbreekt naar chargino's (die vervolgens afbreken naar $W$-bosonen en neutralino's), worden $Z'$-bosonen met massa's tot ongeveer 3,5 TeV uitgesloten.
  • Bij een aangenomen $Z'$-massa van 2,9 TeV worden chargino's met massa's tussen 400 en 1400 GeV uitgesloten.
  • De gevoeligheid wordt voornamelijk gedreven door het $e^\pm\mu^\mp$-kanaal vanwege de hogere signaal- en achtergrondopbrengst.

Betekenis

Deze studie is van cruciaal belang voor de zoektocht naar supersymmetrie (SUSY) en uitbreidingen van het Standaardmodel. Door te focussen op een "vermomd" signaal (leptofobisch) dat vaak over het hoofd wordt gezien in traditionele dilepton-zoektochten, sluit de CMS-samenwerking een belangrijke theoretische parameter ruimte uit.

De resultaten beperken de mogelijke massa's van $Z'$-bosonen in UMSSM-scenario's aanzienlijk en tonen aan dat zelfs bij afwezigheid van directe resonantiepieken in leptonparen, indirecte zoektochten via missing energy en chargino-afbraak essentieel zijn voor een compleet beeld van nieuwe fysica. De gebruikte PNN-methode biedt ook een waardevol blauwdruk voor toekomstige analyses waarbij modelparameters continu variëren.