Reinterpretation of searches for supersymmetry in models with variable R-parity-violating coupling strength using the full ATLAS Run 2 Dataset

Deze studie herinterpreteert dertien ATLAS-zoektochten naar supersymmetrie met het volledige Run 2-dataset om grenzen te stellen aan de massa's van deeltjes in modellen met variërende R-pariteit-schending, waarbij de gevoeligheid voor zowel prompte als langlevende deeltjes aanzienlijk wordt verbeterd.

De kern

De Grote Deeltjesspeurtocht: Waarom ATLAS nu ook zoekt naar de 'sluipende' supersymmetrie

Stel je voor dat het ATLAS-experiment bij CERN een gigantische, superkrachtige deeltjesjager is. Hun missie? Het vinden van Supersymmetrie (SUSY). Dit is een theorie die zegt dat voor elk deeltje dat we al kennen (zoals elektronen of quarks), er een zwaarder, 'supersymmetrisch' tweelingbroertje bestaat.

In het verleden hebben de jagers vooral gezocht naar deze tweelingbroertjes met een specifieke aanname: ze zouden onmiddellijk vervallen in andere deeltjes en dan verdwijnen in een onzichtbare 'mist' (de lichtste deeltjes, die de detector niet zien). Dit is als het zoeken naar een spook dat direct door de muur loopt en verdwijnt.

Het nieuwe idee: De deeltjes kunnen ook 'sluipen'

Deze nieuwe paper, geschreven door de hele ATLAS-collectief, zegt: "Wacht even! Wat als die supersymmetrische deeltjes niet direct verdwijnen, maar eerst even rondlopen in onze detector?"

Dit hangt af van een magische knop in de natuurkunde, genaamd R-pariteit.

• Knop A (Aan): De deeltjes zijn stabiel en verdwijnen direct (het oude scenario).
• Knop B (Uit): De deeltjes vervallen direct in zichtbare stukjes.
• Knop C (Tussenin): De deeltjes zijn onstabiel, maar niet direct. Ze leven even, reizen een stukje door de detector en vallen dan pas uiteen. Dit zijn de 'langlevende deeltjes'.

De auteurs van dit paper hebben een slimme truc bedacht. Ze hebben gekeken naar 13 verschillende zoekopdrachten die ATLAS al heeft gedaan. In plaats van te zeggen "We zoeken alleen naar spookdeeltjes die direct verdwijnen", hebben ze die zoekopdrachten opnieuw geanalyseerd. Ze hebben gekeken: "Zouden deze zoekopdrachten ook een langlevend deeltje hebben gezien als het ergens in het midden van de detector was ontploft?"

De Analogie: De Jacht op de Varkens

Stel je voor dat je varkens (de supersymmetrische deeltjes) zoekt in een enorm bos (de detector).

1. Oude zoekopdracht: Je zoekt alleen naar varkens die direct in een gat springen en verdwijnen. Je kijkt alleen naar de gaten.
2. Nieuwe zoekopdracht (deze paper): Je realiseert je dat sommige varkens misschien eerst even in het bos rondlopen, een stukje door de bomen huppelen, en pas dan in een gat springen.
   • Als je alleen naar de gaten kijkt, mis je die varkens.
   • Als je ook kijkt naar de sporen in het bos (de plek waar het varken is ontploft), vind je ze misschien wel.

De auteurs hebben gekeken naar alle 13 de 'gat-jagers' en ze omgebouwd tot 'bos-jagers'. Ze hebben gekeken of de data uit de jaren 2015-2018 (140 fb⁻¹ aan botsingen) ook deze 'sluipende' varkens kon hebben opgevangen.

Wat vonden ze?

Ze hebben geen varkens gevonden (geen bewijs voor supersymmetrie), maar ze hebben wel een groot gebied afgebakend waar die varkens niet kunnen zijn.

• De 'Gluino's' (de zware varkens): Ze hebben bewezen dat als deze deeltjes bestaan, ze zwaarder moeten zijn dan 1,8 TeV (een enorme massa), ongeacht hoe snel ze vervallen.
• De 'Stop-quarks' (de top-varkens): Als ze bestaan, moeten ze zwaarder zijn dan 2,4 TeV als ze snel vervallen, maar zelfs bij langzamere vervallen zijn ze zwaarder dan 1 TeV.
• De 'Higgsino's' (de lichte varkens): Ze zijn uitgesloten tot 800 GeV - 1 TeV, afhankelijk van hoe snel ze verdwijnen.

Waarom is dit belangrijk?

Vroeger was er een 'blinde vlek' in de jacht. Als de deeltjes te snel verdwenen, zagen ze ze niet. Als ze te langzaam verdwenen (buiten de detector), zagen ze ze ook niet. Dit paper vult dat gat op. Ze hebben laten zien dat de ATLAS-detector veel gevoeliger is voor deze 'sluipende' deeltjes dan men dacht.

Het is alsof je dacht dat je alleen kon jagen op varkens die direct in een gat springen, maar je ontdekt dat je jachthond ook heel goed is in het vinden van varkens die eerst even door het bos rennen.

Conclusie

Hoewel ze de deeltjes nog niet hebben gevonden, hebben ze de jachtgebieden drastisch verkleind. Ze hebben bewezen dat als supersymmetrie bestaat, de deeltjes ofwel heel zwaar zijn, ofwel heel snel (of heel langzaam) verdwijnen. De 'middenweg' is nu ook goed onderzocht. Dit is een enorme stap voorwaarts in het begrijpen van de grenzen van onze kennis over het universum.

Technische samenvatting

Titel: Herinterpretatie van zoektochten naar supersymmetrie in modellen met variërende R-pariteit-schending (RPV) met behulp van het volledige ATLAS Run 2-dataset.

1. Het Probleem en de Context

Supersymmetrie (SUSY) is een veelbelovende uitbreiding van het Standaardmodel (SM) dat voor elk deeltje een supersymmetrisch partnerdeeltje introduceert. In de meeste zoektochten wordt aangenomen dat R-pariteit behouden blijft (RPC). Dit impliceert dat het lichtste supersymmetrische deeltje (LSP) stabiel is en het detector ontsnapt, wat leidt tot een signatuur van ontbrekende transversale impuls ($E_T^{miss}$).

Echter, er is geen fundamentele theoretische reden om R-pariteit te behouden. Als R-pariteit wordt geschonden (RPV), kan het LSP vervallen in Standaardmodel-deeltjes. De levensduur van het LSP hangt af van de sterkte van de RPV-koppeling ($\lambda, \lambda', \lambda''$):

• Grote koppeling: Het LSP vervalt direct (prompt) binnen de detector.
• Zeer kleine koppeling: Het LSP gedraagt zich als stabiel (RPC-achtig).
• Intermediaire koppeling: Het LSP is langlevend (LLP) en vervalt op een meetbare afstand van het interactiepunt.

Het probleem is dat de meeste bestaande SUSZ-zoektochten zich richten op de uiterste regimes (prompt of stabiel), waardoor het intermediaire regime van langlevende deeltjes grotendeels onbeperkt blijft. Dit paper adresseert deze "blind vlek" door een brede reeks analyses te herinterpreteren over het volledige spectrum van RPV-koppelingen.

2. Methodologie

De auteurs hebben een unificerende herinterpretatie uitgevoerd van 13 gepubliceerde ATLAS-zoektochten naar SUSY, gebaseerd op het volledige Run 2-dataset (140 fb$^{-1}$ bij $\sqrt{s} = 13$ TeV).

Signalmodellen:
Er zijn zes vereenvoudigde SUSY-modellen gedefinieerd die de variatie in eindtoestanden en levensduur dekken:

1. Gqq+LQD & Gqq+UDD: Paarsgewijs geproduceerde gluino's die vervallen via $\lambda'$ of $\lambda''$ koppelingen naar quarks en leptons.
2. Gtt: Gluino's die vervallen naar top-quarks via $\lambda''_{323}$.
3. Stop: Paarsgewijs geproduceerde top-squarks met directe RPV-vervalkanalen.
4. Stau: Paarsgewijs geproduceerde $\tau$-sleptonen en sneutrino's.
5. Higgsino: Productie van higgsino-achtige neutralino's en chargino's met kleine massaverschillen.

Technische Aanpak:

• RECAST Framework: De meeste analyses zijn hergebruikt via het RECAST-framework, dat de volledige analyse-workflow (selectie, systematische onzekerheden, statistiek) behoudt. Dit maakt het mogelijk om nieuwe signaalsamples te testen zonder de originele code opnieuw te hoeven schrijven.
• Full Detector Simulation: Cruciaal voor LLP-zoektochten is het gebruik van de volledige ATLAS-detector-simulatie (Geant4). Simpele generator-level benaderingen zijn onvoldoende om de reconstructie-efficiëntie van verplaatste vervallen nauwkeurig te modelleren.
• Aangepaste Systematische Onzekerheden: Omdat standaard reconstructie-algoritmen zijn geoptimaliseerd voor prompte deeltjes, zijn specifieke systematische onzekerheden toegevoegd voor:
  • Jets: Energie-schaal (JES) en resolutie (JER) voor verplaatste jets.
  • b-tagging: Efficiëntie voor verplaatste b-jets, afhankelijk van de collineariteit van het B-hadron.
  • $\tau$-leptonen: Reconstructie-efficiëntie voor verplaatste $\tau$-leptonen.
  • $E_T^{miss}$: Geen extra onzekerheid, omdat de "soft term" gebaseerd is op sporen van het primaire vertex.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Uitbreiding van het Parameterbereik: Voor het eerst wordt een coherente set van SUSY-zoektochten toegepast op het volledige bereik van RPV-koppelingen, inclusief het langlevende deeltjes-regime.
• Integratie van LLP-analyses: Het paper combineert traditionele RPC/RPV-zoektochten met gespecialiseerde zoektochten naar verplaatste vertexen (DV) en verplaatste leptonen, waardoor een naadloze dekking van de levensduur van het LSP wordt bereikt.
• Robuustheidstest: Het demonstreert dat analyses die zijn geoptimaliseerd voor specifieke benchmark-modellen vaak ook gevoelig zijn voor een breed scala aan andere scenario's, zelfs buiten hun oorspronkelijke ontwerp.

4. Resultaten

De resultaten worden gepresenteerd als uitsluitingslimieten (95% betrouwbaarheidsniveau) op de massa's van de deeltjes als functie van de RPV-koppeling en de LSP-levensduur.

• Gluino's (Gqq+LQD):
  • Gluino-massa's tot 2,2 TeV worden uitgesloten voor neutrale levensduur rond 100 ns.
  • Ongeacht de RPV-koppeling wordt een ondergrens van 1,8 TeV op de gluino-massa gesteld.
• Gluino's (Gqq+UDD):
  • Massa's tot 2,6 TeV worden uitgesloten voor korte levensduur (0,01 ns) en tot 2,3 TeV voor langere levensduur (100 ns).
  • De limieten variëren sterk afhankelijk van de koppeling $\lambda''_{112}$.
• Gluino's met Top-quarks (Gtt):
  • Een robuuste ondergrens van 1,8 TeV wordt gehaald over het volledige bereik van koppelingen.
• Top-squarks (Stop):
  • Bij hoge $\lambda''$-waarden worden massa's tot 2,4 TeV uitgesloten.
  • Bij lage en intermediaire waarden variëren de limieten tussen 1,0 en 1,7 TeV.
• $\tau$-sleptonen (Stau):
  • Massa's tussen 180 GeV en 340 GeV worden uitgesloten voor koppelingen kleiner dan $10^{-4}$.
  • De gevoeligheid daalt aanzienlijk in het bereik $10^{-3} \leq \lambda \leq 10^{-1}$ door het verlies van $E_T^{miss}$ en de vereisten voor tegenovergestelde lading.
• Higgsino's:
  • Massa's tot 800 GeV – 1,0 TeV worden uitgesloten bij grote koppelingen ($\lambda > 4 \times 10^{-5}$).
  • Voor zeer kleine koppelingen ($< 3 \times 10^{-6}$) kunnen geen limieten worden gesteld omdat de deeltjes te langlevend zijn om te worden gedetecteerd in de huidige analyses.

5. Significantie

Deze studie is van fundamenteel belang voor de SUSY-fysica omdat:

1. Het "intermediaire regime" wordt afgedekt: Het sluit een belangrijke gaten in de huidige zoektochten naar SUSY, waar langlevende deeltjes vaak onopgemerkt blijven.
2. Complementariteit: Het toont aan dat een combinatie van verschillende analyses (van RPC tot gespecialiseerde LLP-zoektochten) nodig is om een breed scala aan RPV-scenario's volledig te testen.
3. Methodologische Vooruitgang: Het gebruik van full-detector simulatie en aangepaste systematische onzekerheden voor verplaatste objecten biedt een blauwdruk voor toekomstige herinterpretaties van langlevende deeltjes.
4. Strikte Limieten: Het stelt de tot nu toe strengste limieten op voor een breed scala aan RPV-modellen, wat de ruimte voor nieuwe fysica in deze specifieke hoek van het parameterbereik aanzienlijk verkleint.

Kortom, dit werk breidt de dekking van de ATLAS-experimenten aanzienlijk uit en biedt een robuuste basis voor het uitsluiten van supersymmetrische modellen die variëren van prompte verval tot langlevende deeltjes.