Searches for strong production of supersymmetric particles with the ATLAS detector

Este artigo apresenta os resultados mais recentes do ATLAS de colisões do LHC a 13 e 13,6 TeV em buscas pela produção forte de partículas supersimétricas, visando especificamente gluinos e squarks (incluindo stops) através de vários modos de decaimento para abordar a naturalidade e explorar cenários além do mínimo.

O essencial

Imagine o universo como uma gigantesca pista de corrida de alta velocidade chamada Grande Colisor de Hádrons (LHC). Dentro dessa pista, cientistas colidem minúsculas partículas a quase a velocidade da luz para ver o que acontece. O detector ATLAS é como uma câmera ultraveloz e massiva tentando capturar cada detalidade dessas colisões.

O artigo que você está lendo é um relatório de uma equipe de cientistas (a Colaboração ATLAS) que está procurando por "fantasmas" na máquina. Esses fantasmas são partículas teóricas chamadas partículas Supersimétricas (ou "spartículas").

A Grande Ideia: O Mundo das Sombras

De acordo com o nosso melhor mapa atual do universo (o Modelo Padrão), cada partícula conhecida tem um "gêmeo sombra" que ainda não encontramos.

• Se você tem um quark pesado (um bloco de construção da matéria), seu gêmeo sombra é um squark.
• Se você tem um glúon (a cola que mantém os átomos unidos), seu gêmeo sombra é um gluino.

Os cientistas acreditam que esses gêmeos sombra podem resolver grandes mistérios, como o porquê de o universo ter "matéria escura" (a substância invisível que mantém as galáxias unidas). A teoria sugere que, se esses gêmeos existirem, o mais leve deles é estável e pode ser a matéria escura que estamos procurando.

A Caçada: Quatro Buscas Diferentes

O artigo descreve quatro "caçadas" específicas nas quais os cientistas se empenharam, usando dados de colisões em dois níveis diferentes de energia (como dirigir na pista de corrida com 13 e 13,6 no velocímetro). Eles estavam procurando por combinações específicas de partículas que apareceriam se esses gêmeos sombra fossem criados e, em seguida, se desintegrassem imediatamente.

Aqui está uma divisão simples das quatro buscas:

1. A Caçada do "Top Pesado" (Busca 1)

• O Alvo: Eles procuraram por pares de "stop squarks" (o gêmeo sombra do quark top, a partícula mais pesada conhecida).
• O Cenário: Imagine duas caixas pesadas (stop squarks) colidindo e se quebrando. Dentro, eles esperam encontrar um par de quarks top e dois "fantasmas" invisíveis (candidatos à matéria escura).
• O Truque: Eles procuraram por duas maneiras diferentes de as caixas se quebrarem:
  • A maneira "Resolvida" (Resolved): As peças voam para longe lentamente o suficiente para serem vistas claramente como jatos separados de energia.
  • A maneira "Impulsionada" (Boosted): As peças voam tão rápido que se esmagam em um único e gigante bloco de energia.
• O Resultado: Eles não encontraram as caixas. Eles estabeleceram uma regra: "Se esses stop squarks existirem, eles devem ser mais pesados que 1.230 GeV". (Isso é como dizer: "Se o fantasma existe, ele deve ser mais pesado que uma baleia azul.")

2. A Caçada da "Troca de Charme" (Busca 2)

• O Alvo: Eles procuraram por stop squarks que poderiam se transformar em "quarks charm" (um primo mais leve do quark top) em vez de quarks top. Isso é um pouco como procurar por um metamorfo.
• O Cenário: Eles procuraram por uma assinatura específica: um jato pesado (de um quark top) e um jato charm, sem elétrons ou múons visíveis, apenas energia ausente.
• O Resultado: Nenhum metamorfo encontrado. Eles descartaram stop squarks até 800 GeV na maioria dos casos, e até 600 GeV se as partículas estivessem com pesos muito próximos (um cenário "comprimido").

3. A Caçada do "Duplo Charme" (Busca 3)

• O Alvo: Eles procuraram por pares de stop squarks ou charm squarks que ambos se transformam em quarks charm.
• O Cenário: Isso é como procurar por um par de gêmeos que ambos se transformam no mesmo irmão mais novo. Eles procuraram por dois jatos charm e energia ausente.
• O Resultado: Ainda sem fantasmas. Eles empurraram o limite ainda mais longe, dizendo que essas partículas devem ser mais pesadas que cerca de 900 GeV, se existirem.

4. A Caçada do "Gluino & Squark" (Busca 4)

• O Alvo: Esta foi a maior rede, procurando por gluinos (sombras de cola) e outros squarks que decaem em "léptons tau" (primos pesados dos elétrons).
• A Estratégia: Eles usaram duas ferramentas de detetive diferentes:
  • Cut-and-Count: Um método tradicional de estabelecer regras estritas (ex: "Conte apenas eventos com energia acima de X").
  • Aprendizado de Máquina (Machine Learning): Um cérebro de IA treinado para detectar padrões sutis que os humanos podem perder, classificando eventos como "sinal" ou "ruído de fundo".
• O Resultado: A IA e o método tradicional concordaram: nenhum gluino ou squark encontrado. Eles estabeleceram os limites mais rigorosos até agora, dizendo que os gluinos devem ser mais pesados que 2,25 TeV (mais de 2.000 vezes a massa de um próton) e os squarks mais pesados que 1,7 TeV.

O Resultado Final

O artigo é essencialmente um cartaz de "Procura-se" que diz: "Procuramos em todos os lugares, usamos nossas melhores câmeras e nossa IA mais inteligente, mas não encontramos nenhuma dessas partículas supersimétricas."

Como eles não as encontraram, não descobriram nova física nesta corrida específica. Em vez disso, eles traçaram uma linha na areia. Eles disseram aos físicos teóricos: "Se essas partículas existem, elas são mais pesadas do que pensávamos. Vocês precisam atualizar seus mapas para procurar por fantasmas mais pesados."

Em resumo: a caçada continua, mas os fantasmas "fáceis" (os leves) foram descartados.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Buscas por Produção Forte de Partículas Supersimétricas com o Detector ATLAS

Problema e Motivação
Apesar da precisão do Modelo Padrão (SM), persistem questões não resolvidas, como o problema da hierarquia, a ausência de unificação das interações fundamentais e a falta de um candidato à matéria escura. A Supersimetria (SUSY) oferece um arcabouço teórico que aborda esses problemas ao propor um superparceiro para cada partícula do SM. No Modelo Supersimétrico Mínimo Estendido (MSSM), a conservação da R-paridade garante a estabilidade da Partícula Supersimétrica Mais Leve (LSP), tipicamente o neutralino mais leve ($\tilde{\chi}^0_1$), tornando-o um candidato viável à matéria escura.

Argumentos de naturalidade sugerem que os parceiros supersimétricos de glúons (gluinos, $\tilde{g}$) e quarks de terceira geração (squarks, especificamente o stop $\tilde{t}_1$) devem ser leves o suficiente para serem produzidos no Large Hadron Collider (LHC). Embora os cenários clássicos do MSSM enfrentem limites de massa cada vez mais rigorosos, variações envolvendo conteúdo de partículas não mínimo e estruturas de sabor permanecem de interesse significativo. Este artigo apresenta uma compilação de buscas recentes realizadas pela Colaboração ATLAS visando a produção forte dessas partículas.

Metodologia e Conjuntos de Dados
As análises utilizam dados de colisões próton-próton coletados pelo detector ATLAS em energias de centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV (Run 2, 2015–2018, $\sim$139–140 fb$^{-1}$) e $\sqrt{s} = 13,6$ TeV (parte da Run 3, 2022–2023, 51,8 fb$^{-1}$). As buscas focam em estados finais caracterizados por jatos, léptons (incluindo léptons $\tau$ com decaimento hadrônico) e energia transversa ausente significativa ($E^{\text{miss}}_T$), o que sinaliza a presença de LSPs estáveis.

Quatro estratégias de busca distintas são detalhadas:

1. Produção de Pares de Stop ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to t\bar{t}\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Modos de Decaimento: Abrange tanto decaimentos de dois corpos (grande divisão de massa, $\Delta m > m_t$) quanto decaimentos de três corpos (divisão de massa intermediária, $m_W < \Delta m < m_t$).
   • Estado Final: Um lépton isolado, jatos e $E^{\text{miss}}_T$.
   • Estratégia: Os eventos são categorizados em regiões "resolvidas" (tops de baixo-$p_T$, $E^{\text{miss}}_T > 230$ GeV) e "boosted" (tops de alto-$p_T$, jatos de grande-R). Regiões de sinal (SRs) são definidas pela multiplicidade de b-jets e top-tagging. Uma rede neural (NN) é empregada para aumentar a discriminação sinal/fundo. Os fundos ($t\bar{t}$, single-top, $W$+jets) são estimados usando regiões de controle (CRs) e variáveis cinemáticas como massa transversa ($m_T$) e carga do lépton.

2. Produção de Pares de Stop com Violação de Sabor ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1 \to tc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Modelo: Investiga a violação de sabor não mínima (MFV) onde o $\tilde{t}_1$ decai igualmente para $t\tilde{\chi}^0_1$ ou $c\tilde{\chi}^0_1$.
   • Estado Final: Um jet com b-tag, um jet com c-tag, sem léptons e grande $E^{\text{miss}}_T$.
   • Estratégia: Utiliza um algoritmo especializado de c-tagging (baseado em DL1r) para identificar jets de charme. O espaço de fase é dividido em regiões "bulk", "intermediária" (boosted/resolved) e "comprimida". Em cenários comprimidos, os jatos de radiação de estado inicial (ISR) e o treinamento de NN são usados para aumentar a sensibilidade.

3. Produção de Stop e Charm-Squark ($\tilde{t}_1\tilde{t}_1, \tilde{c}_1\tilde{c}_1 \to cc\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$):

   • Modelo: Visa a violação mínima de sabor onde charm-squarks ($\tilde{c}_1$) podem ser mais leves que outros squarks.
   • Estado Final: Dois jets com c-tag, sem léptons e $E^{\text{miss}}_T$.
   • Estratégia: Investiga regiões de alta massa ($m \gtrsim 600$ GeV) e comprimidas ($\Delta m < 175$ GeV). A região comprimida depende de jatos ISR de alto momento e reconstrução de Jigsaw Recursivo (RJR), enquanto o jet líder é requerido para não possuir c-tag para suprimir o fundo.

4. Produção de Pares de Gluino e Squark ($\tilde{g}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{q}$):

   • Modos de Decaimento: Envolve decaimentos para $\tau$-sleptons ($\tilde{\tau}$) e $\tau$-sneutrinos ($\tilde{\nu}_\tau$).
   • Estados Finais: Três canais baseados no conteúdo de $\tau$ e lépton: 1$\tau$0lep, 1$\tau$1lep e 2$\tau$.
   • Estratégia: Duas abordagens são comparadas: um método tradicional de "cut-and-count" usando variáveis de $E^{\text{miss}}_T$ e uma abordagem de aprendizado de máquina usando Árvores de Decisão Potencializadas (BDTs) para classificação multiclasse contra fundos ($W/Z$+jets, diboson, top, fake-$\tau$).

Resultados Principais
Nenoma excesso significativo de eventos sobre o fundo esperado do SM foi observado em qualquer um dos canais analisados. Consequentemente, limites de exclusão de nível de confiança (CL) de 95% foram estabelecidos:

• Pares de Stop ($t\bar{t} + E^{\text{miss}}_T$): A análise de lépton único melhora a sensibilidade em regiões de pequena divisão de massa. Combinada com resultados de zero lépton, as massas de top-squark são excluídas até 1230 GeV (para $\tilde{\chi}^0_1 sem massa) e massas de neutralino até 570 GeV.
• Pares de Stop com Violação de Sabor ($tc + E^{\text{miss}}_T$): Massas de top-squark são excluídas até 800 GeV (para $\tilde{\chi}^0_1 sem massa) e 600 GeV no cenário comprimido. Este resultado também é reinterpretado para excluir novos mediadores que acoplam matéria escura a quarks do SM até 1,2 TeV.
• Pares de Stop/Charm-Squark ($cc + E^{\text{miss}}_T$): Massas de top/charm-squark são excluídas até aproximadamente 900 GeV (para $\tilde{\chi}^0_1 sem massa), representando uma melhoria de cerca de 100 GeV sobre os limites anteriores do ATLAS.
• Pares de Gluino e Squark:
  • Massas de gluino são excluídas até 2,25 TeV (com neutralinos até 1,35 TeV para $m_{\tilde{g}} \approx 2$ TeV).
  • Massas de squark são excluídas até 1,7 TeV (com neutralinos até 0,85 TeV).
  • A abordagem de aprendizado de máquina demonstra sensibilidade superior para massas de gluino/squark mais altas e maiores massas de neutralino, enquanto o método cut-and-count performa melhor na região de espaço-fase comprimida devido aos maiores rendimentos de eventos e seleções dedicadas.

Significância e Alegações
O artigo afirma apresentar os resultados mais recentes do experimento ATLAS, estendendo a busca por partículas supersimétricas produzidas fortemente para novos modos de decaimento e regimes cinemáticos. A significância reside em:

1. Ampliação do Escopo de Busca: Indo além dos cenários clássicos do MSSM para incluir violação de sabor não mínima e espectros comprimidos.
2. Avanço Tecnológico: A implementação e otimização bem-sucedidas de algoritmos de c-tagging e a aplicação de aprendizado de máquina (NNs e BDTs) para melhorar a discriminação sinal-fundo em estados finais complexos.
3. Restrições Atualizadas: Fornecer os limites de exclusão mais rigorosos até o momento para cenários específicos de SUSY, particularmente nas regiões de massa comprimida e para decaimentos com violação de sabor, estreitando o espaço de parâmetros para modelos supersimétricos viáveis.

Os autores concluem que, embora nenhuma evidência de SUSY tenha sido encontrada, estes resultados refinam significativamente as fronteiras experimentais para a produção forte de glinos, stops e charm-squarks no LHC.