Search for higgsinos in compressed mass spectra using low-momentum tracks in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Resumo Técnico: Busca por Higgsinos em Espectros de Massa Comprimidos usando Traços de Baixo Momento em Colisões $pp$a$\sqrt{s}=13$ TeV

Problema e Motivação
Este artigo aborda a busca por higgsinos supersimétricos (SUSY) em cenários onde o espectro de massa é "comprimido". Em cenários do Modelo Supersimétrico Mínimo Estendido (MSSM) onde o parâmetro de massa higgsino $|\mu|$ é muito menor que os parâmetros de massa do bino ($M_1$) e do wino ($M_2$), as partículas supersimétricas mais leves (LSPs) formam um triplete quase degenerado de estados do tipo higgsino ($\tilde{\chi}^0_1, \tilde{\chi}^\pm_1, \tilde{\chi}^0_2$). Os pequenos desdobramentos de massa ($\Delta m$) entre esses estados, impulsionados por correções radiativas, resultam em produtos de decaimento com momento transversal ($p_T$) muito baixo. Consequentemente, os limiares de gatilho (trigger) padrão e os algoritmos de reconstrução frequentemente falham em detectar esses eventos, particularmente quando o desdobramento de massa é inferior a 1 GeV. Buscas anteriores cobriram assinaturas de "traço desaparecente" (para $\Delta m \lesssim 300\text{--}400$ MeV) e assinaturas de léptons prontos (para $\Delta m \gtrsim 1,5$ GeV), mas restou uma lacuna nas regiões de desdobramento de massa intermediário e baixo, onde as restrições existentes eram mais fracas ou inexistentes.

Metodologia
A análise utiliza 140 fb$^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a $\sqrt{s}=13$ TeV coletados pelo detector ATLAS. A estratégia de busca baseia-se na identificação da produção de pares de higgsinos em associação com um jato de radiação inicial-estado (ISR) de alto $p_T$, que impulsiona o sistema de higgsino e gera um momento transversal ausente ($E^{\text{miss}}_T$) significativo para acionar o gatilho do evento. Duas estratégias de busca distintas são empregadas para cobrir diferentes regimes de desdobramento de massa, ambas utilizando aprendizado de máquina (redes neurais) para identificar produtos de decaimento suaves:

1. Busca de Traço Deslocado ($\Delta m \approx 0,3\text{--}1$ GeV):

   • Alvo: Cenários onde o higgsino carregado ($\tilde{\chi}^\pm_1$) possui um tempo de vida de $c\tau \approx 0,1\text{--}10$ mm, decaindo em um píon suave ($\pi^\pm$) e o LSP ($\tilde{\chi}^0_1$).
   • Assinatura: Eventos com alto $E^{\text{miss}}_T$, um jato de alto $p_T$ e pelo menos um traço carregado de baixo momento com um grande impacto transversal ($d_0$).
   • Técnica: Duas redes neurais (NNs) totalmente conectadas são utilizadas: uma NN de "nível de evento", utilizando cinemática global (jet $p_T$, $E^{\text{miss}}_T$) e uma NN de "nível de traço", utilizando propriedades do traço ($p_T$, $d_0$, isolamento, correspondência de vértice secundário). As regiões de sinal (SRs) são definidas no plano 2D dos escores dessas NNs.
   • Estimativa de Background: Dominada por $Z(\to\nu\bar{\nu})+$jets e $W^\pm(\to\tau\nu)+$jets. Uma abordagem semi-baseada em dados é utilizada, empregando regiões de controle (CRs) para derivar fatores de normalização e fatores de reponderação de nível de traço para corrigir erros de modelagem de pile-up e isolamento de traço.

2. Busca de Um Lépton e Um Traço (1$\ell$1T) ($\Delta m \approx 1\text{--}3$ GeV):

   • Alvo: Cenários onde os higgsinos decaem prontamente via bósons de calibre off-shell ($\tilde{\chi}^0_2 \to Z^* \to \ell^+\ell^-$ e $\tilde{\chi}^\pm_1 \to W^{*\pm} \to \ell\nu$).
   • Assinatura: Eventos com alto $E^{\text{miss}}_T$, um jato de alto $p_T$, exatamente um lépton "estrito" (tight) padrão, e um candidato adicional de lépton-traço de baixo $p_T$ (elétron ou múon).
   • Técnica: Algoritmos de identificação (ID) de lépton-traço de baixo $p_T$ dedicados são desenvolvidos para identificar elétrons e múons na faixa de $p_T \in [0,5, 5]$ GeV, estendendo-se além das capacidades padrão do ATLAS. Uma rede neural parametrizada (pNN) é empregada, tomando o desdobramento de massa $\Delta m(\tilde{\chi}^0_2, \tilde{\chi}^0_1)$ como um parâmetro de entrada para otimizar dinamicamente os critérios de seleção através de diferentes hipóteses de massa.
   • Estimativa de Background: O background dominante é $W^\pm+$jets com um lépton-traço falso de baixo $p_T$. Um método de "fator de transferência" baseado em dados é usado, medindo a razão entre traços que passam e que falham em regiões de controle para estimar o background de falsos nas regiões de sinal.

Principais Contribuições

• Novas Técnicas de Identificação: O desenvolvimento e aplicação de "identificadores de lépton suave" baseados em NN e classificadores de "nível de traço" permitem a reconstrução e identificação de partículas com $p_T$ tão baixo quanto 0,5 GeV, um regime anteriormente difícil de acessar com gatilhos e reconstrução padrão.
• Aprendizado de Máquina Parametrizado: O uso de uma pNN na busca 1$\ell$1T permite que um único modelo cubra efetivamente uma ampla gama de hipóteses de desdobramento de massa ($\Delta m = 1\text{--}5$ GeV) sem a necessidade de treinamento separado para cada ponto de massa específico.
• Modelagem Abrangente de Background: A implementação de métodos sofisticados semi-baseados em dados, incluindo reponderação de nível de traço para a busca de traço deslocado e métodos de fator de transferência para a busca 1$\ell$1T, fornece estimativas de background robustas em regiões de baixa estatística e cinemática complexa.

Resultos

• Observação: Nenhuma excesso significativo de eventos sobre as previsões do Modelo Padrão (SM) foi observado em nenhuma das buscas. Todos os rendimentos de eventos observados nas regiões de sinal foram consistentes com as expectativas de background dentro das incertezas estatísticas e sistemáticas (os desvios foram geralmente dentro de $2\sigma$).
• Limites de Exclusão:
  • Busca de Traço Deslocado: Exclui massas de chargino ($m_{\tilde{\chi}^\pm_1}$) até aproximadamente 200 GeV para desdobramentos de massa em torno de 0,6 GeV.
  • Busca 1$\ell$1T: Exclui massas de chargino até aproximadamente 130 GeV para desdobramentos de massa em torno de 2 GeV.
  • Combinado: Os resultados combinados excluem massas de chargino abaixo de 126 GeV com um nível de confiança de 95% para desdobramentos de massa entre 0,3 e 2 GeV.
• Limites Independentes de Modelo: Limites superiores para a seção de choque visível para processos genéricos além do modelo foram estabelecidos para as regiões de busca 1$\ell$1T otimizadas para desdobramentos de 1, 3 e 5 GeV.

Significância
O artigo afirma que estes resultados representam as primeiras restrições do ATLAS em uma parte específica do espaço de parâmetros comprimido de higgsino (especificamente $\Delta m \approx 0,3\text{--}2$ GeV). Crucialmente, estes novos limites superam os limites estabelecidos anteriormente por outros experimentos, incluindo os experimentos do LEP, que detinham as restrições mais fortes para desdobramentos de massa na faixa de 0,9–1,2 GeV. Ao estender o alcance de exclusão para massas mais altas e cobrir a lacuna entre os regimes de "traço desaparecente" e de "lépton pronto", este trabalho fornece as restrições mais rigorosas até o momento sobre charginos e neutralinos do tipo higgsino com espectros de massa comprimidos no contexto de modelos simplificados de SUSY.