Search for charginos and neutralinos with $B-L$ $R$-parity violating decays in $\sqrt{s}=13$ TeV and $13.6$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

Het ATLAS-experiment analyseerde 140 fb$^{-1}$ aan 13 TeV- en 56 fb$^{-1}$ aan 13,6 TeV-proton-protonbotsingsdata op zoek naar chargino's en neutralino's die via $B-L$ $R$-pariteit-schendende koppelingen vervallen in Higgs-bosonen en leptonen, waarbij geen bewijs voor nieuwe fysica werd gevonden en uitsluitingslimieten op chargino- en neutralino-massa's tot 1100 GeV werden vastgesteld op een betrouwbaarheidsniveau van 95%.

De kern

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) voor als 's werelds krachtigste "deeltjesbreker". Hij slaat kleine protonen met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar, waardoor een chaotische explosie van energie ontstaat. Meestal verandert deze energie in deeltjes die we kennen en begrijpen, zoals elektronen en quarks. Maar natuurkundigen vermoeden dat er in dit chaos "superpartners" verborgen zitten – spookachtige, zwaardere tweelingbroers van de deeltjes die we kennen, voorspeld door een theorie genaamd Supersymmetrie (SUSY).

Dit artikel is een verslag van het ATLAS-experiment, een gigantische detector bij de LHC die fungeert als een supersnelle camera met 360 graden die probeert een glimp op te vangen van deze spookachtige tweelingen. Specifiek zocht het team naar twee soorten superpartners: chargino's en neutralino's.

Het mysterie: de regel van "R-pariteit"

In veel versies van deze theorie is er een regel genaamd R-pariteit. Denk aan R-pariteit als een strenge bouncer bij een club.

• Normale deeltjes (zoals elektronen) hebben een "R-waarde" van +1.
• Superpartners hebben een "R-waarde" van -1.
• De regel: Als R-pariteit behouden blijft, moeten superpartners in paren worden gecreëerd en kunnen ze nooit vervallen in alleen maar normale deeltjes. Het lichtste superpartner zou stabiel en onzichtbaar zijn, en zou als een geest de detector ontvluchten.

Echter, dit artikel onderzoekt een ander scenario: R-pariteitschending (RPV). Stel je voor dat de bouncer moe wordt en de superpartners erdoor laat glippen om direct in normale deeltjes te vervallen. In dit specifieke model wordt voorspeld dat chargino's en neutralino's vervallen in een Higgs-boson (een beroemd deeltje dat anderen massa geeft) en een lepton (een elektron, muon of tau).

De jacht: het vinden van het "Higgs-kenmerk"

Het ATLAS-team zette een zeer specifieke val op om deze vervalprocessen te vangen. Ze wisten dat als een chargino of neutralino vervalt in een Higgs-boson, dat Higgs-boson vrijwel direct zou splijten in twee b-quarks (die zich in de detector manifesteren als "jets" van deeltjes).

De zoekstrategie was dus als het zoeken naar een specifiek patroon in een rommelige kamer:

1. De leptonen: Ze zochten naar gebeurtenissen met één of twee hoog-energetische elektronen of muonen (de "leptonen" uit het verval).
2. De Higgs-tweelingen: Ze zochten naar ten minste drie "jets" die waren gelabeld als afkomstig van b-quarks. Omdat het signaal het verval van twee superpartners betreft, verwachtten ze twee Higgs-bosonen, wat betekent dat er vier b-quark-jets zouden moeten zijn.
3. Het ontbrekende stukje: In sommige scenario's wordt ook een neutrino (een onzichtbaar deeltje) geproduceerd, dat wat energie wegneemt. De detector meet dit als "ontbrekende transversale impuls".

De data: een enorme bibliotheek van botsingen

Het team analyseerde een enorme bibliotheek met data:

• Tijdspanne: Botsingen van 2015 tot 2023.
• Energie: Twee verschillende energieniveaus (13 TeV en 13,6 TeV).
• Volume: Ze keken naar 196 "inverse femtobarns" aan data. Om dit te visualiseren: stel je voor dat je een snapshot maakt van elke enkele botsing die plaatsvond in die jaren. Het is een dataset zo groot dat het een supercomputer jaren zou kosten om te verwerken zonder de gespecialiseerde tools die ATLAS heeft gebouwd.

De resultaten: de geesten blijven verborgen

Na het doorzoeken van miljoenen gebeurtenissen vond het team geen bewijs voor deze chargino's of neutralino's.

• De vergelijking: Ze vergeleken wat ze zagen in de data met wat het Standaardmodel (onze huidige beste theorie van de natuurkunde) voorspelt. De data kwam perfect overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel. Het is alsof je op zoek bent naar een specifiek type alien in een bos en alleen herten, bomen en vogels vindt – precies wat je zou verwachten te zien.
• De uitsluiting: Omdat ze de deeltjes niet vonden, konden ze een "omheining" plaatsen rondom waar deze deeltjes niet kunnen zijn. Ze concludeerden dat als deze chargino's en neutralino's bestaan en op deze manier vervallen, ze zwaarder moeten zijn dan 1.100 GeV (ongeveer 1.100 keer de massa van een proton). Als ze lichter waren geweest, zou de ATLAS-detector ze nu al hebben gezien.

De conclusie

Het artikel concludeert dat voor het specifieke scenario waarin deze superpartners vervallen in Higgs-bosonen en leptonen, de "lichte" versies (tussen 150 en 1.100 GeV) niet bestaan.

In eenvoudige bewoordingen: het ATLAS-team zocht zeer hard naar een specifiek type zwaar, spookachtig deeltje dat de gebruikelijke regels van de natuurkunde doorbreekt. Ze vonden niets anders dan het verwachte achtergrondruis. Hoewel dit niet bewijst dat deze deeltjes helemaal niet bestaan, vertelt het ons dat ze ofwel veel zwaarder zijn dan we dachten, ofwel niet op de manier vervallen die deze specifieke theorie voorspelde. De zoektocht naar "nieuwe natuurkunde" gaat door, maar deze specifieke deur blijft voorlopig gesloten.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektocht naar Chargino's en Neutralino's met $B-L$ $R$-pariteitenschendende Verval in $\sqrt{s}=13$ TeV en 13.6 TeV $pp$-botsingen met de ATLAS-detector

Probleem en Motivatie
Supersymmetrie (SUSY) biedt een oplossing voor het hiërarchieprobleem binnen het Standaardmodel (SM), maar de volledige parameter ruimte staat baryon ($B$) en lepton ($L$) getalschending toe. Hoewel $R$-pariteitsbehoud vaak wordt afgedwongen om snelle protonverval te voorkomen, bestaan er fenomenologisch levensvatbare $R$-pariteitenschendende (RPV) theorieën. Specifiek introduceert het $B-L$ Minimale Supersymmetrische Standaardmodel een $U(1)_{B-L}$-eichsymmetrie en rechtshandige steriele neutrino's. In dit kader schendt de spontane breking van $U(1)_{B-L}$ het leptongetal, waardoor superpartners direct kunnen vervallen in SM-deeltjes.

Dit artikel richt zich op een specifiek scenario waarbij een wino-achtig lichtste supersymmetrisch deeltje (LSP) en een naaste-lichtste supersymmetrisch deeltje (NLSP) betrokken zijn. In dit model zijn de chargino ($\tilde{\chi}^\pm_1$) en neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$) bijna massadegeneraat (splitsing < 200 MeV), wat standaard $R$-pariteitsbehoudende verval onderdrukt. In plaats daarvan ondergaan deze deeltjes prompte RPV-verval voornamelijk naar een Higgs-boson ($h$) en een lepton ($\ell$) of neutrino ($\nu$): $\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ en $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$. Eerdere ATLAS-zoektochten richtten zich op RPV-verval naar $Z$-bosonen of top-squarks; deze analyse biedt complementaire gevoeligheid door te focussen op het Higgs-boson vervalkanaal ($h \to b\bar{b}$), een gebied van de faseruimte dat voorheen minder werd onderzocht voor deze specifieke productiemodi van elektroweakino's.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsdata verzameld door de ATLAS-detector bij de Large Hadron Collider (LHC) tussen 2015 en 2023. De dataset omvat een geïntegreerde lichtkracht van 196 fb$^{-1}$, verdeeld over 140 fb$^{-1}$ bij $\sqrt{s}=13$ TeV (Run 2) en 56 fb$^{-1}$ bij $\sqrt{s}=13.6$ TeV (Run 3).

• Signaal Topologie: De zoektocht richt zich op elektroweak paarproductie ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$) en geassocieerde productie ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$).
  • Het $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$-kanaal resulteert in een eindtoestand met twee tegengesteld geladen leptonen en twee Higgs-bosonen (vier $b$-jets).
  • Het $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$-kanaal resulteert in één lepton, twee Higgs-bosonen (vier $b$-jets) en ontbrekend transversale impuls ($E_T^{\text{miss}}$) van het neutrino.
• Event Selectie: Events moeten ten minste vier jets bevatten, waarvan ten minste drie worden geïdentificeerd als $b$-getagde jets met het GN2-algoritme. De leptonselectie vereist hoge-$p_T$ elektronen of muonen ($p_T > 40$ GeV).
  • Twee-Lepton Regio (SR2$\ell$): Vereist twee tegengesteld geladen leptonen. De analyse reconstrueert twee Higgs-boson kandidaten en twee chargino kandidaten. De variabele $A_C$ (massa-asymmetrie tussen de twee gereconstrueerde chargino kandidaten) wordt gebruikt om achtergrond te onderdrukken.
  • Eén-Lepton Regio (SR1$\ell$): Vereist één lepton en significante $E_T^{\text{miss}}$. De neutralino massa wordt gereconstrueerd via transversale massa ($m_{N,T}$) met behulp van een Higgs kandidaat en $E_T^{\text{miss}}$.
• Achtergrond Schatting: De dominante achtergrond is top-quark paarproductie ($t\bar{t}$), met name $t\bar{t}$ met zware-flavor jets ($t\bar{t}+b$). Achtergrondnormalisaties worden afgeleid uit data met behulp van controlegebieden (CR's) die specifieke signaalselectiecriteria omkeren (bijvoorbeeld Higgs-massa vensters of kinematische variabelen). Validatiegebieden (VR's) bevestigen de extrapolatie van achtergrondmodellen.
• Statistische Analyse: Een profiel-likelihood fit wordt uitgevoerd met het pyhf-framework. Systematische onzekerheden (experimenteel, theoretisch en MC-statistisch) worden behandeld als storende parameters. Grenzen worden vastgesteld op een betrouwbaarheidsniveau van 95% (CL) met de $CL_s$-voorschrift.

Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste Beperkingen op Higgs-kanaal RPV: Dit werk presenteert de eerste zoektochtbeperkingen op chargino- en neutralinoproduktie waarbij de dominante vervalfase naar een Higgs-boson en een lepton/neutrino is binnen het $B-L$ MSSM-kader.
2. Geavanceerde $b$-tagging: De analyse maakt gebruik van het GN2 transformer-gebaseerde $b$-tagging-algoritme, wat een verbeterde achtergrondonderdrukking biedt ten opzichte van eerdere algoritmen, wat cruciaal is voor het isoleren van het $h \to b\bar{b}$-signaal.
3. Gecombineerde Run 2 en Run 3 Data: De analyse integreert data van zowel LHC Run 2 (13 TeV) als Run 3 (13.6 TeV), waarbij gebruik wordt gemaakt van de verhoogde lichtkracht en energie om hogere massabereiken te onderzoeken.
4. Flavor-specifieke Grenzen: Naast de standaard aanname van gelijke vertakkingsverhoudingen naar alle leptonflavors, leidt de analyse specifieke grenzen af voor pure-elektron, pure-muon en pure-tau scenario's, waarmee het effect van leptonreconstructie-efficiëntie op de gevoeligheid wordt aangetoond.

Resultaten
De waargenomen data zijn consistent met Standaardmodelvoorspellingen in alle signaalgewesten. Er werd geen significant overschot aan events waargenomen.

• Model-onafhankelijke Grenzen: Bovenste grenzen werden vastgesteld voor het zichtbare doorsnede voor beyond-the-SM-processen in vier "ontdekkingsgebieden" (SR2$\ell$, SR2$\ell$700, SR1$\ell$, SR1$\ell$600).
• Model-afhankelijke Uitsluitingen:
  • Voor het scenario waarbij chargino's en neutralino's vervallen met 100% vertakkingsverhouding naar respectievelijk $h\ell$ en $h\nu$, en onder de aanname van gelijke vertakkingsverhoudingen naar elektron, muon en tau flavors, worden chargino's en neutralino's met massa's tussen 150 GeV en 1100 GeV uitgesloten op 95% CL.
  • Voor de pure-elektron hypothese worden massa's tussen 150 GeV en 1225 GeV uitgesloten.
  • Voor de pure-muon hypothese worden massa's tussen 150 GeV en 1150 GeV uitgesloten.
  • Voor de pure-tau hypothese worden massa's tussen 450 GeV en 750 GeV uitgesloten. De lagere gevoeligheid voor het tau-kanaal wordt toegeschreven aan de moeilijkheid om hadronisch vervallende tau's te reconstrueren en het energieverlies bij leptonische tau-verval, wat vaak leidt tot dochterleptonen die onder de $p_T$-drempel vallen.

Betekenis
Het artikel beweert dat deze resultaten de eerste beperkingen bieden op het vereenvoudigde signaalmodel voor chargino's en neutralino's die vervallen via Higgs-bosonen in de context van $B-L$ $R$-pariteitenschending. De uitsluiting van massa's tot 1100–1225 GeV (afhankelijk van de flavor-hypothese) breidt de reikwijdte van eerdere zoektochten aanzienlijk uit die zich richtten op $Z$-boson verval (die massa's tot ~975 GeV uitsloten). De analyse toont aan dat het Higgs-vervalkanaal, ondanks de uitdagende $b$-jet multipliciteit en achtergrondomgeving, een krachtige en complementaire probe biedt voor elektroweakino-productie in RPV-scenario's. De resultaten worden geïnterpreteerd als grenzen aan model-onafhankelijke doorsneden en specifieke Minimal Supersymmetric Standard Model parameters, wat bijdraagt aan de bredere inspanning om de SUSY-parameter ruimte te beperken.