Search for Z' bosons decaying into charginos in final states with two oppositely charged leptons and missing transverse momentum in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

O experimento CMS analisou colisões próton-próton a 13 TeV para buscar bósons Z' leptofóbicos que decaem em charginos, utilizando dados de 138 fb⁻¹ e uma rede neural parametrizada, não encontrando desvios das previsões do Modelo Padrão e estabelecendo limites superiores que excluem massas de Z' de até aproximadamente 3,5 TeV.

O essencial

O Grande Caçador de Sombras: Como o CMS Procurou por Partículas Invisíveis

Imagine que o universo é como uma grande festa de máscaras. A maioria das partículas que conhecemos (como elétrons e prótons) são os convidados que aparecem com o rosto à mostra. Mas os físicos do CERN suspeitam que existem outros convidados, "fantasmas" que não mostram o rosto e só deixam pistas de onde passaram.

Este novo relatório do experimento CMS (um dos grandes detectores do Grande Colisor de Hádrons, ou LHC) é como um diário de investigação desses detetives. Eles estavam procurando por um tipo específico de "fantasma" chamado Z' (Z-primo), mas com um detalhe curioso: este Z' é "cego" para a luz (leptões), ou seja, ele não interage com elétrons ou múons da maneira normal. Em vez disso, ele se esconde e decai em outras partículas misteriosas.

Aqui está a história da caçada, explicada de forma simples:

1. O Cenário: O Colisor de Hádrons como uma Máquina de "Quebra-Cabeças"

O LHC é como uma pista de corrida onde dois trens de partículas (prótons) colidem em velocidades próximas à da luz. Quando eles batem, a energia se transforma em novas partículas, como se você tivesse dois relógios antigos e, ao bater um no outro, surgissem relógios novos, engrenagens e molas voando para todos os lados.

Os físicos querem ver se, nessas colisões, surge um Z'. Mas, como o Z' é "cego" para a luz, ele não aparece diretamente nos detectores. Ele desaparece quase instantaneamente, transformando-se em duas partículas chamadas charginos.

2. O Rastro: O "Fantasma" que deixa um Buraco

Aqui entra a parte mágica da detecção. Os charginos também não são estáveis. Eles se transformam rapidamente em:

• Um W (uma partícula que decai em um elétron ou múon e um neutrino).
• Um neutralino (a partícula mais leve e estável, que é um candidato a Matéria Escura).

O problema é que o neutralino é como um fantasma real: ele não carrega carga elétrica, não interage com a luz e atravessa o detector sem deixar um único sinal.

A Analogia do Jogo de Bilhar:
Imagine que você joga uma bola de bilhar (o Z') contra outra. Se a bola de bilhar se quebrar em duas bolas menores (charginos), e uma delas for feita de "gás invisível" (neutralino), você não verá a bola de gás. Mas você verá que a outra bola (o elétron ou múon) saiu voando em uma direção estranha, e que a mesa de bilhar pareceu "sacudir" para o lado oposto.

Esse "sacudir" é o que chamamos de Momento Transverso Faltante (ou Missing Transverse Momentum). É a prova de que algo invisível saiu voando, carregando energia consigo.

3. A Estratégia: O Detetive com "Olhos de Águia"

Os físicos sabiam que procurar por essa assinatura (dois elétrons/múons opostos + um "buraco" de energia invisível) era difícil. O "ruído" de fundo (outras colisões comuns que imitam esse sinal) é enorme. É como tentar ouvir um sussurro específico em um estádio de futebol lotado gritando.

Para resolver isso, eles não usaram apenas regras simples. Eles criaram uma Inteligência Artificial (uma Rede Neural Parametrizada).

• Como funciona: Imagine que você treina um cachorro para encontrar um tesouro. Em vez de ensinar o cachorro a cheirar apenas um tipo específico de cheiro (que só funciona se o tesouro estiver em um lugar exato), você ensina o cachorro a entender como o cheiro muda dependendo de onde o tesouro está.
• A IA analisou milhões de colisões, aprendendo a distinguir o "sussurro" do Z' do "grito" das colisões normais, ajustando-se para diferentes pesos de partículas.

4. O Resultado: O Silêncio é uma Resposta

Depois de analisar dados de 2016, 2017 e 2018 (equivalente a 138 trilhões de colisões), o que eles encontraram?

Nada.

O detector não viu nenhum sinal de Z' ou charginos além do que a física padrão já previa.

• O que isso significa? Não é uma derrota, é uma vitória da precisão. Significa que, se esses "fantasmas" existem, eles são mais pesados do que o que conseguimos "ver" até agora.
• A Exclusão: Os físicos conseguiram dizer: "Se o Z' existir, ele não pode pesar menos de 3,5 TeV" (uma unidade de massa enorme, cerca de 4.000 vezes a massa de um próton). Eles eliminaram uma grande faixa de possibilidades.

5. Por que isso importa?

Pense no universo como um quebra-cabeça gigante. A física atual (o Modelo Padrão) tem a maior parte das peças, mas faltam algumas para explicar coisas como a Matéria Escura.

• Se o Z' existisse, ele seria a peça que faltava para conectar o mundo visível ao mundo invisível.
• Ao não encontrá-lo, o CMS está dizendo: "Onde você pensou que estava a peça, não está. Vamos ter que procurar em outro lugar ou criar uma peça nova."

Em resumo:
Os cientistas do CMS jogaram uma partida de "Esconde-Esconde" com o universo, usando a maior máquina do mundo e inteligência artificial. O universo venceu essa rodada, mantendo seus segredos (o Z' e os charginos) escondidos em massas muito altas. Mas, ao fechar essa porta, eles abrem novas janelas para onde procurar a próxima grande descoberta. A caçada continua!

Resumo técnico

Aqui está um resumo técnico detalhado do artigo CMS-SUS-23-006, baseado no documento fornecido:

Título: Busca por bósons $Z'$ decaindo em charginos em estados finais com dois léptons de carga oposta e momento transversal ausente em colisões $pp$ a $\sqrt{s} = 13$ TeV

1. Problema e Contexto Físico

O Modelo Padrão (SM) da física de partículas não explica fenômenos como a matéria escura ou a hierarquia de massas. Extensões supersimétricas (SUSY) e modelos com grupos de gauge adicionais, como o UMSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model estendido por um $U(1)'$), propõem a existência de novos bósons vetoriais neutros pesados, denominados $Z'$.

Um cenário específico de interesse envolve bósons $Z'$ leptofóbicos. Nestes modelos, o acoplamento do $Z'$ aos léptons do Modelo Padrão é suprimido, o que evita as restrições experimentais severas impostas pelas buscas diretas por ressonâncias em pares de léptons ($\ell^+\ell^-$). Em vez disso, o $Z'$ decai predominantemente em partículas supersimétricas, especificamente pares de charginos ($\tilde{\chi}^\pm_1$).

O processo investigado é:
$$pp \to Z' \to \tilde{\chi}^+_1 \tilde{\chi}^-_1 \to (W^+ \tilde{\chi}^0_1) (W^- \tilde{\chi}^0_1) \to (\ell^+ \nu \tilde{\chi}^0_1) (\ell^- \bar{\nu} \tilde{\chi}^0_1)$$
Onde $\tilde{\chi}^0_1$ é o neutralino mais leve (candidato a matéria escura). O estado final característico consiste em dois léptons de carga oposta ($e^\pm, \mu^\pm$) e alto momento transversal ausente ($p_T^{miss}$), devido aos neutrinos e neutralinos que escapam da detecção.

2. Metodologia e Análise de Dados

• Dados: A análise utilizou dados coletados pelo experimento CMS no LHC durante os anos de 2016, 2017 e 2018, correspondendo a uma luminosidade integrada total de 138 fb$^{-1}$ a uma energia de centro de massa de 13 TeV.
• Seleção de Eventos:
  • Exigência de exatamente dois léptons de carga oposta (elétrons ou múons) com $p_T > 80$ GeV (líder) e $p_T > 40$ GeV (rasteiro).
  • Massa invariante do dilepção ($m_{\ell\ell}$) > 100 GeV para suprimir o fundo do bóson $Z$.
  • Momento transversal ausente ($p_T^{miss}$) > 100 GeV.
  • Vet de jatos com marcação de quark bottom ($b$-jets) para reduzir o fundo de pares top-antitop ($t\bar{t}$).
• Abordagem Multivariada (PNN):
  • Dada a semelhança cinemática entre o sinal e os fundos irreduzíveis (principalmente $t\bar{t}$, $WW$ e $tW$), foi empregada uma Rede Neural Parametrizada (PNN - Parametrized Neural Network).
  • Diferente de redes treinadas para pontos de massa específicos, a PNN inclui as massas do $Z'$ e do chargino como parâmetros de entrada durante o treinamento. Isso permite que o modelo generalize e otimize a separação sinal-fundo para uma vasta gama de massas sem necessidade de retreinamento para cada ponto.
  • Variáveis de entrada incluíram: $p_T$ dos léptons, $m_{\ell\ell}$, $p_T^{miss}$, massa transversal ($m_T$), massa transversal estrita ($M_{T2}$) e distâncias angulares ($\Delta R, \Delta \phi$).
• Estimativa de Fundo:
  • Os fundos dominantes ($t\bar{t}$, $WW$, $DY$) foram normalizados utilizando regiões de controle (CRs) definidas por critérios de seleção opostos aos da região de sinal (SR), como a presença de $b$-jets ou massa invariante de dilepção baixa.
  • Um ajuste de verossimilhança (likelihood fit) foi realizado simultaneamente nas regiões de sinal e controle para determinar os fatores de normalização dos fundos.

3. Contribuições Chave

• Primeira Busca Específica: Esta é a primeira busca no LHC focada especificamente no cenário de $Z'$ leptofóbico decaindo exclusivamente em charginos, preenchendo uma lacuna deixada por buscas anteriores que focavam em decaimentos diretos para o Modelo Padrão ou produção direta de charginos sem a ressonância intermediária.
• Uso de PNN Parametrizada: A aplicação bem-sucedida de uma rede neural parametrizada demonstra uma melhoria significativa na sensibilidade em comparação com redes treinadas em pontos de massa fixos, especialmente quando se explora um espaço de parâmetros amplo ($m_{Z'}$ de 1,7 a 4,1 TeV e $m_{\tilde{\chi}^\pm_1}$ de 345 a 1845 GeV).
• Estratégia de Normalização Robusta: O uso de múltiplas regiões de controle para normalizar os fundos principais diretamente nos dados minimiza a dependência de simulações teóricas para a estimativa de fundo.

4. Resultados

• Consistência com o Modelo Padrão: As distribuições observadas dos escores da PNN nos dados reais estão em concordância com as previsões do Modelo Padrão. Não foram observados excessos significativos que indiquem a presença de novos físicos.
• Limites de Exclusão:
  • Foram estabelecidos limites superiores no seção de choque de produção do $Z'$ a 95% de nível de confiança (CL).
  • Para o cenário onde o $Z'$ decai exclusivamente em charginos (que subsequentemente decaem em $W$ e neutralinos), o análise exclui bósons $Z'$ com massas até aproximadamente 3,5 TeV.
  • Assumindo uma massa de $Z'$ de 2,9 TeV, os charginos com massas na faixa de 400 a 1400 GeV são excluídos.
  • O canal de sabor misto ($e^\pm \mu^\mp$) mostrou ser o mais sensível devido a maiores taxas de sinal e fundo em comparação com os canais de mesmo sabor ($e^+e^-$ e $\mu^+\mu^-$).

5. Significância

Este trabalho é fundamental para o programa de física de SUSY e além do Modelo Padrão (BSM) no CMS. Ao focar em um cenário "leptofóbico", a análise contorna as restrições mais fortes impostas pelas buscas de ressonâncias dilepônicas, explorando um espaço de parâmetros anteriormente menos restrito. A exclusão de massas de $Z'$ até 3,5 TeV impõe restrições severas aos modelos UMSSM derivados da teoria $E_6$, forçando os teóricos a reconsiderar os parâmetros de acoplamento e as escalas de massa para essas partículas hipotéticas. A metodologia desenvolvida, particularmente o uso de PNNs parametrizadas, serve como um modelo para futuras buscas de ressonâncias em cenários complexos de decaimento em cadeia.