Search for long-lived particles using displaced vertices of oppositely charged leptons in 140 fb$^{-1}$ of pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Utilizando 140 fb$^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a 13 TeV coletados pelo detector ATLAS, este estudo apresenta uma busca por partículas de vida longa que decaem em pares de léptons de carga oposta deslocados, estabelecendo limites superiores líderes para as seções de choque de produção para modelos de referência $Z'$ e supersimétricos com violação de paridade $R$, sem observar nenhum evento candidato.

O essencial

A Visão Geral: Caçando Partículas "Fantasmas"

Imagine o Grande Colisor de Hádrons (LHC) como uma arena gigante de colisões de carros em alta velocidade. Os cientistas colidem prótons entre si a quase a velocidade da luz, na esperança de recriar as condições do universo logo após o Big Bang. Normalmente, quando essas partículas colidem, elas se fragmentam em outras partículas que voam e atingem os detectores quase instantaneamente.

Mas e se algumas dessas partículas forem como fantasmas? E se elas forem criadas na colisão, mas, em vez de desaparecerem imediatamente, viajarem alguns centímetros ou até metros através do detector antes de finalmente "pufar" em algo que podemos ver? Estas são chamadas de Partículas de Vida Longa (LLPs).

Este artigo é um relatório da equipe ATLAS (um grupo massivo de cientistas) dizendo: "Olhamos muito cuidadosamente por esses fantasmas em nossos dados de 2015–2018, mas não encontramos nenhum."

O Trabalho de Detetive: Procurando por "Vértices Deslocados"

Para encontrar esses fantasmas, os cientistas tiveram que procurar uma pista específica chamada Vértice Deslocado (DV).

• O Cenário Normal: Geralmente, quando as partículas são criadas, elas deixam um "anel de fumaça" (um rastro) que começa exatamente no centro da colisão (o Vértice Primário).
• O Cenário Fantasma: Se uma partícula de vida longa existir, ela viaja para longe do centro e depois decai. Quando decai, ela cria um novo "anel de fumaça" (um par de partículas carregadas, como elétrons ou múons) que começa longe do centro.

A Analogia:
Imagine um show de fogos de artifício.

• Partículas normais: O fogo de artifício explode logo na sua mão, e as faíscas voam imediatamente.
• Partículas de vida longa: O fogo de artifício é lançado para o ar, voa por alguns segundos e então explode no céu. O "ponto de explosão" (o vértice) está deslocado de onde você o lançou.

O detector ATLAS é uma câmera gigante e de alta tecnologia que tira fotos desses fogos de artifício. Os cientistas construíram um algoritmo especial para ignorar os fogos de artifício que explodem na sua mão e procurar apenas aqueles que explodem no céu.

Os Três Suspeitos (Modelos de Referência)

Os cientistas não procuraram por qualquer fantasma; eles tinham três "suspeitos" específicos em mente, baseados em teorias que estendem nossa compreensão atual da física (Modelo Padrão). Eles verificaram se esses suspeitos poderiam estar se escondendo nos dados:

1. O Escalar Pesado e o Bóson $Z'$: Imagine uma partícula-parente pesada e invisível (um escalar) que se divide em dois "filhos" de vida longa (bósons $Z'$). Esses filhos voam para longe e eventualmente se transformam em pares de partículas com cargas opostas (como um elétron e um pósitron, ou dois múons).
2. O Gluino e o Neutralino: Em uma teoria chamada Supersimetria (SUSY), existem partículas pesadas chamadas gluinos. Quando eles decaem, podem produzir um "neutralino" (uma partícula fantasmagórica) que vive por um tempo antes de se transformar em duas partículas carregadas e um neutrino.
3. O Eletrofraco: Uma variação do acima, onde o neutralino é produzido por outras partículas pesadas chamadas charginos ou neutralinos mais pesados.

A Estratégia de Busca: Como Eles Procuraram

A equipe analisou 140 fb⁻¹ de dados. Para colocar isso em perspectiva, se um "fb" fosse um único grão de areia, eles analisaram uma montanha de dados.

• A Rede: Eles montaram uma rede muito específica. Eles só capturaram eventos onde:
  • Duas partículas carregadas (léptons) apareceram.
  • Elas formaram um "vértice" claro (um ponto de encontro) dentro do sistema de rastreamento interno do detector.
  • Este ponto de encontro estava deslocado (pelo menos 2 mm longe do centro da colisão).
  • As partículas tinham energia suficiente para serem reais, e não apenas ruído aleatório.
• O Ruído de Fundo: O universo é bagunçado. Às vezes, rastros aleatórios se cruzam por acidente, ou raios cósmicos (partículas do espaço) atingem o detector e parecem um decaimento. Os cientistas usaram matemática inteligente para estimar quantos desses "fantasmas falsos" eles deveriam esperar.
  • Analogia: Se você está procurando por um tipo específico de pássaro em uma floresta, precisa saber quantas folhas parecem com aquele pássaro para não ser enganado.

Os Resultados: O Grande Silêncio

O Veredito: Eles encontraram zero eventos que correspondiam aos seus critérios.

• A Expectativa: Com base em seus cálculos de ruído de fundo (acidentes aleatórios), eles esperavam ver um número minúsculo de eventos (menos de um, essencialmente zero).
• A Realidade: Eles viram zero.

Isso é, na verdade, um bom resultado! Significa que seu detector funciona perfeitamente e seus cálculos de fundo são precisos. No entanto, também significa que nenhuma nova partícula de vida longa foi encontrada nesta busca específica.

O Que Isso Significa para a Física

Como eles não encontraram as partículas, não descobriram uma nova lei da física. Em vez disso, fizeram algo igualmente importante: Eles colocaram um sinal de "Proibido Entrar".

• Estabelecendo Limites: Como não encontraram as partículas, eles podem afirmar com 95% de confiança: "Se essas partículas fantasmas existirem, elas não podem ser tão pesadas, ou não podem viver tanto tempo, ou não podem ser produzidas tão frequentemente."
• Eliminando Teorias: Eles agora eliminaram um grande pedaço do "mapa" onde essas partículas poderiam estar se escondendo. Especificamente, eles excluíram:
  • Escalares pesados decaindo em bósons $Z'$ com massas entre 0,1 e 2,2 TeV.
  • Neutralinos (dos modelos SUSY) com massas de até 2,2 TeV, desde que vivam por uma certa quantidade de tempo (de 1 mm a 10.000 mm de viagem).

A Conclusão

Pense neste artigo como uma busca muito minuciosa de uma casa por um gato perdido.

• Os cientistas olharam em cada cômodo (o rastreador interno).
• Eles procuraram pelas pegadas específicas do gato (o vértice deslocado de dois léptons).
• Eles verificaram pegadas falsas feitas pelo cachorro (ruído de fundo).
• Resultado: Nenhum gato foi encontrado.

Conclusão: O gato não está nesta casa (ou pelo menos, não nos cômodos específicos e nos tamanhos que eles estavam procurando). Isso diz aos futuros caçadores de gatos (físicos) que precisam procurar em casas diferentes, ou talvez o gato seja de uma cor diferente do que pensavam. A busca continua, mas os "esconderijos fáceis" foram limpos.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Busca por Partículas de Longa Vida Usando Vértices Deslocados de Léptons de Cargas Opostas

Problema e Motivação
Partículas de longa vida (LLPs) são uma predição bem motivada em várias extensões do Modelo Padrão (SM), incluindo modelos de Vale Oculto, supersimetria dividida, supersimetria com violação de paridade-R (RPV) e quebra de SUSY mediada por gauge. Essas partículas frequentemente possuem comprimentos de decaimento macroscópicos devido a acoplamentos pequenos, pequenos desdobramentos de massa ou simetrias aproximadas. Uma LLP neutra decaindo em um par de léptons de cargas opostas ($\mu^+\mu^-$, $e^+e^-$ ou $e^\pm\mu^\mp$) produz um vértice deslocado (DV) dentro do sistema de rastreamento interno, uma assinatura com fundo mínimo do SM. Embora buscas anteriores do ATLAS e do CMS tenham alvo LLPs mais leves ou utilizado conjuntos de dados parciais, esta análise aborda a necessidade de uma busca abrangente usando o conjunto de dados completo do Run-2 para sondar escalas de massa mais pesadas e uma faixa mais ampla de vidas médias, incluindo sabores de léptons mistos ($e\mu$), que não haviam sido alvo anteriormente neste contexto específico pelo ATLAS.

Metodologia
A análise utiliza 140 fb$^{-1}$ de dados de colisão próton-próton coletados pelo detector ATLAS em $\sqrt{s} = 13$ TeV entre 2015 e 2018. A busca visa LLPs neutras pesadas decaindo em pares dilepton dentro do detector interno (ID).

• Reconstrução: Para recuperar a eficiência para rastros originados de decaimentos deslocados, a análise emprega tanto o algoritmo de Rastro Padrão (ST) quanto o algoritmo de Rastro de Grande Raio (LRT). O algoritmo LRT relaxa os requisitos sobre os parâmetros de impacto transversal ($d_0$) e longitudinal ($z_0$) (até 300 mm e 1500 mm, respectivamente) e permite mais módulos de silício compartilhados. Um algoritmo dedicado de reconstrução de DV forma vértices a partir de combinações de rastros ST e LRT, exigindo nenhum hit entre o vértice e o vértice primário (PV) e pelo menos um hit na primeira camada de pixels ou SCT à medida que o rastro emerge do DV.
• Seleção de Eventos: Os eventos são disparados usando gatilhos de múons "MS only" ($p_T > 60$ GeV) ou gatilhos de fótons (fóton único $p_T > 140$ GeV ou diphoton $p_T > 50$ GeV) para evitar dependência de informações de rastros do ID, que são ineficientes para objetos deslocados. Eventos de sinal requerem um PV com pelo menos dois rastros, um DV reconstruído com deslocamento transversal $R_{xy} > 2$ mm, e um DV localizado dentro de $R_{xy} < 300$ mm e $|z_{DV}| < 300$ mm. A massa invariante do dilepton deve exceder 12 GeV. Um veto de raios cósmicos é aplicado para rejeitar pares de múons em direções opostas.
• Estimativa de Fundo: Fundos do SM provenientes de decaimentos prompt são suprimidos por requisitos cinemáticos e geométricos. Os fundos remanescentes são estimados a partir dos dados:
  • Raios Cósmicos: Estimados usando uma região de controle com critérios de veto cósmico invertidos, extrapolando a distribuição $\Delta R_{cos}$.
  • Cruzamentos Aleatórios de Rastros: Estimados usando um método de "brinquedo" de mistura de eventos onde léptons de diferentes eventos de dados são combinados. Nenhum DV de dilepton reconstruído foi encontrado em $10^6$–$10^8$ eventos de brinquedo por canal, estabelecendo um limite superior na probabilidade de cruzamento aleatório.
• Modelos de Referência: Os resultados são interpretados em três modelos:
  1. Modelo $Z'$: Produção em par de um escalar pesado $S$ decaindo em bósons $Z'$ de longa vida, que decaem em pares de léptons.
  2. Modelo de Gluino (RPV MSSM): Produção em par de gluinos ($\tilde{g}$) decaindo em quarks e um neutralino de longa vida ($\tilde{\chi}^0_1$), que decai via acoplamentos RPV ($\lambda_{121}$ ou $\lambda_{122}$) para $\ell^+\ell'^-\nu$.
  3. Modelo EWkino (RPV MSSM): Produção direta de eletro-wininos ($\tilde{\chi}^\pm_1\tilde{\chi}^0_1$, etc.) onde o $\tilde{\chi}^0_1$ é o LSP de longa vida.

Contribuições Principais

• Conjunto de Dados Completo do Run-2: Esta é a primeira análise publicada do ATLAS a usar os 140 fb$^{-1}$ completos dos dados do Run-2 para uma busca por vértices deslocados de dileptons.
• Cobertura de Sabores: É a única busca a incluir simultaneamente vértices deslocados para pares de múons, elétrons e elétrons-múons.
• Independência de Modelo: A seleção não requer momento transversal faltante ou jatos, e permite rastros adicionais no DV, mantendo sensibilidade a uma ampla gama de modelos.
• Eficiência de Reconstrução: A inclusão de rastros LRT e critérios de identificação modificados melhora significativamente a eficiência de reconstrução para léptons deslocados em comparação com análises anteriores que dependiam apenas de rastros padrão ou informações do espectrômetro de múons.

Resultados
Nenhum evento foi observado na região de sinal, consistente com a expectativa de fundo. Limites superiores nas seções de choque de produção são estabelecidos ao nível de confiança de 95% usando o método $CL_s$.

• Modelo $Z'$: Limites são estabelecidos para massas escalares ($m_S$) de 0,5 a 1,5 TeV e massas de $Z'$ de 100 a 700 GeV. Para uma $m_S$ fixa, bósons $Z'$ mais leves são restringidos a vidas médias mais longas, enquanto bósons $Z'$ mais pesados são restringidos a vidas médias mais curtas devido a boosts cinemáticos.
• Modelo de Gluino: Para massas de gluino ($m_{\tilde{g}}$) de 1,5 a 2,5 TeV e massas de neutralino ($m_{\tilde{\chi}^0_1}$) de 0,1 a 1,7 TeV, a análise exclui porções significativas do espaço de parâmetros de acoplamento $\lambda_{121}$ e $\lambda_{122}$. Para $m_{\tilde{g}} = 1,5$ TeV, vidas médias ($c\tau$) de 1 a 10.000 mm são excluídas para a maioria das massas de neutralino.
• Modelo EWkino: Para massas de neutralino de 0,1 a 1,3 TeV, a análise exclui vidas médias de 1 mm até vários metros, dependendo da massa e do acoplamento. Para $m_{\tilde{\chi}^0_1} \le 0,5$ TeV, a faixa completa de vidas médias consideradas (1–10.000 mm) é excluída.

Significância
O artigo afirma que esta análise estabelece limites líderes nas seções de choque de produção para múltiplos modelos, incluindo espaço de parâmetros que nunca foi sondado diretamente. Especificamente, fornece os primeiros limites em modelos de neutralino de longa vida e alta massa usando modos de produção de gluino e eletro-winino com decaimentos em pares de léptons (com exceção de decaimentos de neutralino produzidos por gluino em múons alvo em uma busca anterior apenas no espectrômetro de múons). Os resultados complementam buscas anteriores estendendo o alcance de massa e cobrindo a faixa completa dos dados do Run-2, oferecendo um teste robusto de SUSY RPV e cenários genéricos de $Z'$ no regime de LLPs pesadas.