Searches for massive, long-lived particles in events with displaced vertices with ATLAS

Deze paper bespreekt twee ATLAS-zoektochten naar zware, langlevende deeltjes via verplaatste vertices: een Run 2-analyse met een nieuwe "vage" reconstructiealgoritme voor deeltjes die in zware quarks vervallen, en een Run 3-analyse met een nieuwe trigger voor verplaatste muonen, waarmee respectievelijk grenzen worden gesteld aan Higgs-portal-, SUSY- en DFSZ-axino-modellen en aan RPV-SUSY-modellen.

De kern

De Jacht op de "Luie" Deeltjes: ATLAS op zoek naar langlevende mysteries

Stel je voor dat je een enorme, supersnelle auto-renwedstrijd organiseert (deeltjesversneller LHC). Normaal gesproken verwacht je dat de coureurs (deeltjes) die de startlijn passeren, direct na de start ontploffen of verdwijnen. Dat is wat we in de natuurkunde "prompt" noemen. Maar wat als er coureurs zijn die niet direct verdwijnen, maar eerst een rondje door het circuit rijden voordat ze ergens anders uitstappen?

Deze "luie" deeltjes noemen we langlevende deeltjes (Long-Lived Particles). Ze zijn lastig te vinden omdat onze camera's (de detectoren) zijn ingesteld op de snelle ontploffingen. Het ATLAS-team heeft nu twee nieuwe, slimme manieren bedacht om deze sluipende deeltjes te vangen.

Hier is hoe ze dat doen, vertaald in alledaagse taal:

1. De "Vage" Spoorzoeker (Zoeken met een gebrek aan energie)

In de eerste zoektocht keek ATLAS naar botsingen waarbij er energie "ontbrak" (Missing Transverse Energy). Denk hierbij aan een overvaller die een deel van de buit in zijn jaszak stopt en wegrent; je ziet de buit niet, maar je ziet dat er iets weg is.

• Het oude probleem: Stel, een langlevend deeltje ontploft in een zwaar deeltje (een "zware quark"), en dat zware deeltje ontploft pas weer even later. Het is alsof je een blikje frisdrank gooit, dat in de lucht openbarst in een regendruppel, en die druppel pas op de grond ontploft in een plasje water. De sporen wijzen niet meer naar één exact punt, maar verspreiden zich een beetje. De oude software dacht: "Dit past niet bij één ontploffing, dit is ruis," en negeerde het.
• De nieuwe oplossing (De "Fuzzy" methode): ATLAS heeft nu een nieuwe software bedacht die we "vage" (fuzzy) vertexing noemen. In plaats van te eisen dat alle sporen naar één exact punt wijzen (alsof je een pijl in een exact punt in een dartbord moet schieten), accepteert deze software nu een klein gebiedje (een "wolk").
  • Analogie: Het is alsof je niet eist dat alle regen druppels op één punt op de grond vallen, maar dat je kijkt naar een klein plasje water. Hierdoor kunnen ze nu de "tweede ontploffing" van die zware deeltjes ook zien.
• Het resultaat: Ze hebben geen nieuwe deeltjes gevonden, maar ze hebben de grenzen voor wat mogelijk is, flink verschoven. Ze hebben bewezen dat bepaalde theorieën (zoals de "Higgs Portal" of "Axino" modellen) niet kunnen bestaan binnen de bereik die ze nu hebben afgezet.

2. De "Verdwaalde" Muon (Zoeken met een nieuwe trigger)

In de tweede zoektocht keek ATLAS naar botsingen waarbij er muonen (een soort zware elektronen) vliegen.

• Het oude probleem: De "trigger" (de beveiligingscamera die beslist welke beelden worden opgeslagen) is vaak te snel. Als een muon pas lang na de botsing uit een deeltje komt, denkt de camera: "Oh, dit is een foutje, ik sla dit niet op." Het is alsof een beveiligingscamera die alleen mensen opneemt die direct bij de ingang staan, en iedereen die de hal doorkruist en pas bij de uitgang stopt, negeert.
• De nieuwe oplossing (De "Verplaatste Muon Trigger"): ATLAS heeft nu een nieuwe camera-instelling gemaakt die specifiek kijkt naar muonen die ver van de startlijn vandaan komen.
  • Analogie: Stel je voor dat je op een feestje bent en je zoekt naar iemand die pas 10 minuten later de dansvloer opkomt. De oude camera zette alleen op als iemand direct binnenkwam. De nieuwe camera zegt: "Ik houd ook rekening met mensen die later binnenkomen, zelfs als ze een beetje aarzelend lopen."
• Het resultaat: Hierdoor kunnen ze nu ook deeltjes vinden die minder snel zijn of minder energie hebben. Ze hebben gezocht naar een specifiek soort supersymmetrie (RPV SUSY), maar vonden ook hier niets. Wel hebben ze bewezen dat als deze deeltjes bestaan, ze dan heel zeldzaam moeten zijn of heel specifiek gedrag moeten vertonen.

Waarom is dit belangrijk?

De Standard Model (ons huidige boekje met de regels van het universum) is goed, maar het is niet perfect. Het verklaart niet alles (zoals donkere materie). Veel theorieën zeggen dat er nieuwe deeltjes moeten zijn die "langzaam" zijn.

ATLAS zegt eigenlijk:

"We hebben onze netten breder en slimmer gemaakt. We hebben nu een 'vage' visnet (voor de vage ontploffingen) en een 'late' visnet (voor de vertraagde muonen). We hebben nog niets gevangen, maar we weten nu precies waar we niet hoeven te vissen. Als er iets te vinden is, moet het in de hoek zitten die we nu hebben afgezet."

Kort samengevat:
ATLAS heeft twee nieuwe, slimme methoden ontwikkeld om de "luie" deeltjes te vinden die ontsnappen aan de standaarddetectie. Ze hebben nog geen nieuw deeltje gevonden, maar ze hebben de zoektocht veel scherper gemaakt en de theorieën die we kunnen uitsluiten, flink uitgebreid. Het is alsof je een duisternis oplicht met twee nieuwe, krachtige zaklampen: je ziet nog geen monster, maar je weet nu zeker dat het monster niet in de hoek zit waar je net hebt gekeken.

Technische samenvatting

Probleemstelling

De meeste zoektochten naar nieuwe deeltjes buiten het Standaardmodel (BSM) bij de Large Hadron Collider (LHC) focussen op "prompte" vervalprocessen, waarbij deeltjes direct na productie vervallen (binnen $\tau \lesssim 0.0033$ ns of $c\tau \lesssim 1$ mm). Echter, er is geen theoretische dwingende reden waarom nieuwe deeltjes zo snel moeten vervallen. Veel goed onderbouwde BSM-scenario's (zoals Supersymmetrie, Higgs-portaalmodellen en axionmodellen) voorspellen Langlevende Deeltjes (LLP's). Deze deeltjes reizen een merkbare afstand door de detector voordat ze vervallen.

Het probleem is dat de standaard reconstructie-algoritmen en triggers van ATLAS geoptimaliseerd zijn voor prompte vervalproducten. LLP's produceren exotische signatuur, zoals verplaatste vertices (Displaced Vertices - DV's), waarbij de sporen van de vervalproducten niet naar het oorspronkelijke proton-proton botsingspunt wijzen, maar naar een punt verplaatst in de inner tracker. Deze signalen worden vaak gemist door standaard analyses of zijn moeilijk te triggeren op.

Methodologie

De paper presenteert twee specifieke zoektochten uitgevoerd door de ATLAS-collaboratie, elk met unieke methodologische verbeteringen om de gevoeligheid voor LLP's te vergroten:

1. Zoektocht in gebeurtenissen met Missing Transverse Energy (MET) - Run 2

• Dataselectie: Analyse van volledige Run 2-data (2016-2018, 137 fb⁻¹) met een MET-trigger ($MET \ge 150$ GeV).
• Innovatie: "Fuzzy" Vertexing: Een cruciale verbetering is de introductie van een nieuw algoritme voor "fuzzy" vertexreconstructie.
  • Probleem: Als een LLP vervalt in zware quarks die op hun beurt ook licht langlevend zijn, wijzen de uiteindelijke sporen niet exact naar één punt. Standaard algoritmen vereisen dat alle sporen naar exact hetzelfde punt wijzen, wat leidt tot verlies van efficiëntie voor deze gevallen.
  • Oplossing: Het "fuzzy" algoritme staat toe dat de vertex een "volumen" is in plaats van een punt, waardoor reconstructie mogelijk blijft voor gevallen met sub-vertices.
• Signalregio's (SR's): De analyse is onderverdeeld in drie regio's:
  • 1 of meer Standaard DV's (1SDV).
  • 1 Fuzzy DV (1FDV).
  • 2 of meer Fuzzy DV's (2FDV).
  • De regio met 2+ DV's maakt het mogelijk om eisen aan het aantal sporen en massa te versoepelen, wat de gevoeligheid voor lichtere LLP's verhoogt.
• Achtergrondschatting: Gebruik van een controleregio geïnitieerd door fotonen (die niet correleren met DV-activiteit) om de fractie van achtergrondgebeurtenissen met DV's te bepalen, gebaseerd op jet- en spooractiviteit.

2. Zoektocht in gebeurtenissen met Muonen - Run 3

• Dataselectie: Analyse van gedeeltelijke Run 3-data (2022-2024, 164 fb⁻¹), inclusief data uit 2024.
• Innovatie: Displaced Muon Trigger: De eerste toepassing van een nieuwe trigger gebaseerd op Large-Radius Tracking (LRT) op trigger-niveau.
  • Standaard muon-triggers zijn inefficiënt voor sterk verplaatste muonen. De nieuwe trigger detecteert muonen met een grote transversale impactparameter ($d_0$) al vroeg in de triggerketen, wat de efficiëntie aanzienlijk verhoogt voor muonen met lage transversale impuls ($p_T$).
• Signalregio's:
  • "Near" SR: DV's met verplaatsing $1 \le d_0 \le 4$ mm.
  • "Far" SR: DV's met verplaatsing $d_0 \ge 4$ mm.
• Selectiecriteria: DV's moeten 4+ sporen hebben. Er worden strenge vetoes toegepast om achtergronden van zware quarks, kosmische straling en nep-signalen (fakes) te elimineren.
• Achtergrondschatting: Toepassing van de ABCD-methode, gebaseerd op de onafhankelijkheid van achtergrondmuonen en DV-activiteit, om het aantal signalgebeurtenissen te schatten.

Belangrijkste Bijdragen

1. Introductie van "Fuzzy" Vertexing: Dit is de eerste keer dat dit algoritme wordt gebruikt in een ATLAS-zoektocht. Het lost het reconstructieprobleem op voor LLP's die vervallen in zware quarks met sub-structuren, wat de reconstructie-efficiëntie drastisch verhoogt (zie Figuur 1 in het paper).
2. Nieuwe Displaced Muon Trigger: De implementatie van LRT op trigger-niveau is een mijlpaal voor Run 3, waardoor de detector veel gevoeliger wordt voor LLP's die in muonen vervallen, zelfs bij lagere $p_T$.
3. Uitgebreide Modeltesten: De analyses testen een breed scala aan BSM-modellen, waaronder:
   • Gluino R-hadronen en Wino-Bino co-annihilatie (SUSY).
   • Higgs-portaalmodellen.
   • DFSZ-axino-modellen.
   • R-parity violating (RPV) Supersymmetrie met specifieke koppelingen ($\lambda'_{211}, \lambda''_{323}, \lambda'_{233}$).

Resultaten

• Geen Significante Overschrijding: In geen van de signalregio's van beide analyses werd een significante overschrijding van het verwachte achtergrondniveau waargenomen.
  • MET-analyse: 1 waargenomen gebeurtenis in de 1SDV-regio (verwacht: 0.6), 3 in de 1FDV-regio (verwacht: 0.8), en 2 in de 2FDV-regio (verwacht: 1.3).
  • Muon-analyse: 1 waargenomen gebeurtenis in de "Near" regio (verwacht: 2.9) en 3 in de "Far" regio (verwacht: 1.8).
• Uitsluitingslimieten (Exclusion Limits):
  • Gluino R-hadronen: Een verbetering van ongeveer 200-300 GeV in de uitsluitingsgrenzen voor de massa ten opzichte van eerdere analyses.
  • Higgs-portaal: Hoge gevoeligheid bij lange levensduur, waarbij het model nu ook bijdraagt via gluon-gluon fusie-productie.
  • DFSZ Axino: De eerste expliciete uitsluitingslimieten voor dit specifieke scenario.
  • RPV SUSY: De limieten voor de $\lambda'_{211}$ en $\lambda'_{233}$ koppelingen tonen verbeteringen ten opzichte van eerdere Run 1 en Run 2 resultaten. De $\lambda''_{323}$ limieten zijn complementair met CMS-resultaten, met betere gevoeligheid bij lagere levensduur.

Betekenis en Conclusie

Deze werken markeren een belangrijke evolutie in de zoektocht naar nieuwe fysica bij ATLAS. Door de introductie van geavanceerde reconstructietechnieken ("fuzzy" vertexing) en nieuwe trigger-strategieën (displaced muon trigger), heeft de collaboration de gevoeligheid voor een breed spectrum aan langlevende deeltjes aanzienlijk vergroot.

De resultaten tonen aan dat de huidige data consistent is met het Standaardmodel, maar de opgestelde limieten sluiten grote delen van de parameter ruimte voor veel BSM-modellen uit. De succesvolle implementatie van deze technieken legt de basis voor toekomstige zoektochten in de High-Luminosity LHC-fase, waarbij de verwachte data-overvloed de kans op het ontdekken van zeldzame LLP-signaturen verder zal vergroten.