Search for new physics using single-lepton events with high multiplicities of jets and b jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Met behulp van 138 fb$^{-1}$ aan 13 TeV proton-proton botsingsgegevens van de CMS-detector, zoekt deze studie naar R-pariteit schendende supersymmetrie in single-lepton gebeurtenissen met een hoge jet- en b-jet multipliciteit door het analyseren van large-radius jet massa's, waarbij geen significante overmaat wordt gevonden en gluino-massa's onder 1890 GeV worden uitgesloten op een betrouwbaarheidsniveau van 95%.

De kern

Het Grote Plaatje: Op zoek naar "Geest"-deeltjes in een Kosmische Pinballmachine

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN voor als de krachtigste kosmische pinballmachine ter wereld. Wetenschappers laten twee stromen protonen met bijna de snelheid van het licht tegen elkaar botsen. Meestal creëren deze botsingen een voorspelbare regen van deeltjes die de regels volgen van het "Standaardmodel" (het regelboek van de natuurkunde dat we al kennen).

Maar soms kan het regelboek incompleet zijn. Dit artikel beschrijnd een zoektocht naar nieuwe fysica—specifiek een theorie genaamd Supersymmetrie (SUSY)—die zaken zou kunnen verklaren die het huidige regelboek niet kan verklaren.

Het Mysterie: Het "Ontbrekende Geld"-probleem

In veel versies van Supersymmetrie, wanneer nieuwe zware deeltjes worden gecreëerd, vervallen ze in een stabiel, onzichtbaar deeltje (zoals een kandidaat voor donkere materie). Omdat dit onzichtbare deeltje wegvliegt zonder de detectoren te raken, ziet het eruit als ontbrekend geld op een bankrekening. Wetenschappers zoeken meestal naar dit "ontbrekende geld" (genoemd missing transverse momentum) om nieuwe fysica te vinden.

Echter, dit artikel onderzoekt een andere versie van de theorie genaamd R-parity Violating (RPV) SUSY.

• De Analogie: Stel je een bankovervaller voor die niet alleen geld steelt en verdwijnt. In plaats daarvan steelt de overvaller het geld en geeft het onmiddellijk uit aan zichtbare items (zoals goudstaven en juwelen) voordat hij wegvlucht.
• Het Resultaat: Er blijft geen "ontbrekend geld" achter. De dief is weg, maar de stapel goud en juwelen (de deeltjes) is enorm en zeer opvallend.

Omdat er geen "ontbrekend geld" is om naar te zoeken, moesten de wetenschappers hun strategie veranderen. Ze stopten met het zoeken naar lege ruimte en begonnen te zoeken naar enorme bergen puin.

De Strategie: Het Tellen van het Puin

De wetenschappers concentreerden zich op een specif으로 scenario waarin een zwaar deeltje genaamd een gluino (denk aan een superzwaar "lijm"-deeltje) wordt gecreëerd en vervolgens explodeert.

• De Explosie: Wanneer de gluino explodeert, maakt hij niet slechts een paar kruimels; hij creëert een chaotische storm van jets (stralen van deeltjes).
• De Specificaties: De theorie voorspelt dat elke explosie een topquark, een bottomquark en een strangequark creëert. De bottomquarks zijn als "zware goudstaven" in deze storm.
• Het Signaal: De wetenschappers zochten naar gebeurtenissen met:
  1. Eén Lepton: Een enkel elektron of muon (als een enkele, duidelijke vonk in de storm).
  2. Hoge Jet Multipliciteit: Een enorm aantal deeltjesstralen (de storm zelf).
  3. Veel "b-jets": Veel van die stralen die zware bottomquarks bevatten (de goudstaven).
  4. Geen Ontbrekende Energie: De "dief" is niet weggevlucht met onzichtbare buit.

Om de omvang van deze storm te meten, gebruikten ze een speciaal hulpmiddel genaamd $M_J$ (de som van de massa's van grote deeltjesclusters). Als er nieuwe fysica bestaat, zou dit getal erg hoog zijn, wat een "berg" aan data creëert die niet past bij de normale achtergrondheuvels.

De Methode: Het "Data-gestuurde" Detectiewerk

Het moeilijkste deel van dit experiment is weten hoe "normaal" eruitziet. De achtergrondruis komt van standaard deeltjesbotsingen (zoals topquark-paren) die per ongeluk op het signaal kunnen lijken.

In plaats van volledig te vertrouwen op computersimulaties (die soms fouten kunnen maken over de "staarten" van de distributie), gebruikten het team een data-gestuurde aanpak:

1. Controlegebieden: Ze keken naar gebieden in de data waar ze wisten dat er alleen achtergrondruis aanwezig was (zoals kijken naar een rustige straat om het geluid van het verkeer te begrijpen).
2. Kalibratie: Ze maten hoe de achtergrond zich gedroeg in deze rustige gebieden en gebruikten dat om te voorspellen hoe de achtergrond er zou moeten uitzien in de "Signaalgebieden" (de drukke straten waar ze hoopten nieuwe fysica te vinden).
3. De Fit: Ze vergeleken de werkelijke data in de Signaalgebieden met hun voorspellingen.

De Resultaten: De Stilte van de Gluino's

Na het analyseren van 138 eenheden data (een enorme hoeveelheid botsingsgeschiedenis verzameld tussen 2016 en 2018), vonden de wetenschappers:

• Geen Verrassing: De data kwam perfect overeen met de achtergrondvoorspellingen. Er was geen "berg" van nieuwe fysica.
• De Uitsluiting: Omdat ze het signaal niet zagen, konden ze bepaalde mogelijkheden uitsluiten. Ze concludeerden dat als deze specifieke gluino's bestaan, ze zwaarder moeten zijn dan 1.890 GeV (ongeveer 2.000 keer zwaarder dan een proton).
• De Boodschap: Enkelvoudige gluino's die lichter zijn dan dat, zijn door deze zoektocht "uitgesloten" (geëlimineerd).

Samenvatting

Dit artikel is een hoogwaardig spelletje "Waar is Wally?" in een enorme menigte deeltjes. Het team zocht naar een specifiek type "dief" (een gluino) die een enorme stapel zichtbaar bewijs (jets en bottomquarks) achterlaat maar geen onzichtbare buit. Ze controleerden elke hoek van de data, kalibreerden hun zoektocht met echte voorbeelden en vonden niets. Bijgevolg verklaarden ze dat als deze deeltjes bestaan, ze te zwaar zijn om in dit specifieke net gevangen te worden. De zoektocht naar lichtere versies van deze deeltjes is onoplettend gebleven.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektocht naar Nieuwe Fysica in Single-Lepton Events met Hoge Jet-multipliciteiten bij $\sqrt{s} = 13$ TeV

Probleem en Motivatie
Het Standaardmodel (SM) beschrijft fundamentele deeltjes succesvol, maar schiet tekort bij het adresseren van theoretische uitdagingen zoals de hiërarchie van deeltjesmassa's en de unificatie van koppelingsconstanten. Supersymmetrie (SUSY) biedt een potentiële oplossing, maar zoektochten naar R-pariteit conserverende SUSY vertrouwen vaak op signatures met grote ontbrekende transversale momentum (p^{\text{miss}}__T), die afwezig zijn in R-pariteit schendende (RPV) scenario's. In RPV-modellen kan het lichtste supersymmetrische deeltje (LSP) vervallen in SM-deeltjes, waardoor de p^{\text{miss}}__T-signature verdwijnt en alternatieve zoekstrategieën vereist zijn. Dit artikel richt zich op de zoektocht naar RPV SUSY, specifiek gericht op gluino-paarproductie waarbij gluino's vervallen in top ($t$), bottom ($b$) en strange ($s$) quarks via de $\lambda''_{323}$-koppeling in een minimal flavor-violating framework. De analyse richt zich op events met hoge jet-multipliciteiten, hoge $b$-jet aantallen en een enkel lepton, zonder dat een significante ontbrekende transversale momentum vereist is.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsdata verzameld door de CMS-detector bij de CERN LHC tijdens 2016–2018, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 138 fb$^{-1}$ bij een zwaartekrachtenergie van 13 TeV.

• Event Selectie: Events worden geselecteerd met de eis van exact één geïsoleerd elektron of muon ($N_{\text{lep}} = 1$), ten minste vier small-radius jets ($R=0.4$), en een scalaire som van jet transversale momenta ($H_T$) groter dan 1200 GeV. Een cruciale discriminator is de som van de massa's van large-radius jets ($M_J$), gedefinieerd als de som van de massa's van jets geclusterd met $R=1.2$ (inclusief het geselecteerde lepton). Een baseline-eis van $M_J > 500$ GeV wordt toegepast.
• Analyse Regio's: De zoektocht wordt uitgevoerd in bins van jet-multipliciteit ($N_{\text{jet}}$) en het aantal $b$-getagde jets ($N_b$). Signaalregio's (SR's) worden gedefinieerd in high-$N_{\text{jet}}$ en high-$N_b$ bins (specifiek $N_{\text{jet}} \ge 8$ en $N_b \ge 3$), terwijl controle-regio's (CR's) met lagere multipliciteiten worden gebruikt om de normalisaties van de achtergrond te beperken.
• Achtergrond Schatting: De dominante achtergronden zijn top-quark paarproductie ($t\bar{t}$), W+jets en QCD multijet events. Er wordt een data-gedreven benadering gehanteerd waarbij achtergrondnormalisaties worden bepaald via een simultane fit aan de $M_J$-distributie in alle bins.
  • $\kappa$ Factoren: Om discrepanties tussen simulatie en data in de $M_J$-vorm te corrigeren, worden correctiefactoren ($\kappa_1$ en $\kappa_2$) afgeleid van onafhankelijke controle-samples voor QCD multijet, W+jets en $t\bar{t}$. Deze factoren worden in een globale fit geconstraineerd met behulp van de grote statistiek in low-$N_b$ regio's.
  • Normalisatie: De $t\bar{t}$ en QCD multijet normalisaties worden behandeld als vrije parameters die worden geconstreind door CR's (inclusief een $N_{\text{lep}}=0$ regio met verschoven $N_{\text{jet}}$ eisen). De W+jets normalisatie wordt geconstreind door een globale parameter over alle bins.
• Systematische Onzekerheden: Onzekerheden omvatten jet energie schaal/resolutie, $b$-tagging efficiëntie, lepton identificatie, pileup en theoretische schaalvariaties. De analyse adresseert specifiek potentiële afhankelijkheden van de $M_J$-vorm van $N_b$ (bijv. door gluon splitting) door aparte onzekerheden toe te wijzen voor elke $N_b$ bin.

Belangrijkste Bijdragen

• Nieuwe Discriminator: Het artikel demonstreert de effectiviteit van de som van de massa's van large-radius jets ($M_J$) als een robuuste variabele voor het onderscheiden van high-multiplicity signaal events van SM-achtergronden in de afwezigheid van $p^{\text{miss}}_T$.
• Data-gedreven Achtergrond Modellering: Een verfijnde strategie wordt gepresenteerd waarbij achtergronden apart worden genormaliseerd in elke $N_b$ bin. Dit vermindert systematische onzekerheden gerelateerd aan jet flavor compositie en gluon splitting, wat limiterende factoren waren in eerdere analyses.
• Omvattend Fit Framework: Het gebruik van een simultane gebinde maximum likelihood fit over $N_{\text{jet}}$, $N_b$ en $M_J$ bins maakt de simultane extractie van achtergrondnormalisaties en vormcorrecties ($\kappa$ factoren) mogelijk, waardoor het gebruik van controle-regio's om signaalregio's te beperken wordt gemaximaliseerd.

Resultaten
De geobserveerde event yields in de signaalregio's zijn consistent met de achtergrondvoorspellingen. Er wordt geen significante excess van data boven de achtergrond waargenomen in de $M_J$ distributie.

• Exclusie Limieten: Op basis van het nulresultaat worden upper limits op de productie cross-section keer branching ratio ingesteld op 95% confidence level (CL).
• Massa Limieten: Voor het specifieke vereenvoudigde model van gluino-paarproductie ($\tilde{g}\tilde{g} \to tbs \, tbs$), worden gluino massa's onder de 1890 GeV uitgesloten bij 95% CL. Dit resultaat verbetert de eerdere limieten, inclusief die van het ATLAS experiment (1830 GeV) en eerdere CMS resultaten.

Significantie
Dit werk vormt een stringente test van R-pariteit schendende supersymmetrie in een regime dat gekenmerkt wordt door hoge jet en $b$-jet multipliciteiten zonder ontbrekende transversale momentum. Door gluino massa's tot 1890 GeV uit te sluiten, beperkt de analyse de parameterruimte van minimal flavor-violating RPV SUSY modellen aanzienlijk. De methodologie, met name de data-gedreven achtergrond schatting met $M_J$ templates en $N_b$-gebinned normalisatie, biedt een robuust framework voor toekomstige zoektochten naar nieuwe fysica in high-multiplicity final states waar traditionele ontbrekende energie signatures niet van toepassing zijn. De resultaten zijn consistent met het Standaardmodel en vertegenwoordigen de meest gevoelige zoektocht tot nu toe voor deze specifieke gluino decay topologie.