Search for charginos and neutralinos with $B-L$ $R$-parity violating decays in $\sqrt{s}=13$ TeV and $13.6$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

O experimento ATLAS analisou 140 fb$^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a 13 TeV e 56 fb$^{-1}$ a 13,6 TeV para procurar por charginos e neutralinos que decaem por meio de acoplamentos que violam a paridade-R de $B-L$ em bósons de Higgs e léptons, não encontrando evidências de nova física e estabelecendo limites de exclusão com 95% de nível de confiança para as massas de charginos e neutralinos de até 1100 GeV.

O essencial

Imagine o Grande Colisor de Hádrons (LHC) como o "triturador de partículas" mais poderoso do mundo. Ele colide prótons minúsculos a velocidades próximas à da luz, criando uma explosão caótica de energia. Normalmente, essa energia se transforma em partículas que conhecemos e compreendemos, como elétrons e quarks. No entanto, os físicos suspeitam que, escondido nesse caos, há "superparceiros"—gêmeos fantasmagóricos e mais pesados das partículas que conhecemos, previstos por uma teoria chamada Supersimetria (SUSY).

Este artigo é um relatório do experimento ATLAS, um detector gigante no LHC que atua como uma câmera de alta velocidade com visão de 360 graus, tentando captar um vislumbre desses gêmeos fantasmagóricos. Especificamente, a equipe estava à procura de dois tipos de superparceiros: charginos e neutralinos.

O Mistério: A Regra da "Paridade-R"

Em muitas versões dessa teoria, existe uma regra chamada paridade-R. Pense na paridade-R como um porteiro rigoroso em uma boate.

• Partículas normais (como elétrons) têm um "valor-R" de +1.
• Superparceiros têm um "valor-R" de -1.
• A Regra: Se a paridade-R for conservada, os superparceiros devem ser criados em pares e nunca podem decair apenas em partículas normais. O superparceiro mais leve seria estável e invisível, escapando do detector como um fantasma.

No entanto, este artigo explora um cenário diferente: violação da paridade-R (RPV). Imagine que o porteiro fique cansado e deixe os superparceiros escaparem e decaírem diretamente em partículas normais. Neste modelo específico, prevê-se que os charginos e neutralinos decaiam em um bóson de Higgs (uma partícula famosa que confere massa às outras) e um lépton (um elétron, múon ou tau).

A Caçada: Encontrando a "Assinatura do Higgs"

A equipe do ATLAS montou uma armadilha muito específica para capturar esses decaimentos. Eles sabiam que, se um chargino ou neutralino decaísse em um bóson de Higgs, esse bóson de Higgs se dividiria quase instantaneamente em dois quarks bottom (que se manifestam como "jatos" de partículas no detector).

Portanto, a estratégia de busca foi como procurar um padrão específico em um quarto bagunçado:

1. Os Léptons: Eles procuraram eventos com um ou dois elétrons ou múons de alta energia (os "léptons" provenientes do decaimento).
2. Os Gêmeos do Higgs: Eles procuraram por pelo menos três "jatos" que foram identificados como originários de quarks bottom. Como o sinal envolve a decadência de dois superparceiros, esperavam ver dois bósons de Higgs, o que significa quatro jatos de quarks bottom.
3. A Peça Faltante: Em alguns cenários, um neutrino (uma partícula invisível) também é produzido, carregando parte da energia. O detector mede isso como "momento transversal faltante".

Os Dados: Uma Biblioteca Massiva de Colisões

A equipe analisou uma biblioteca massiva de dados:

• Período: Colisões de 2015 a 2023.
• Energia: Dois níveis de energia diferentes (13 TeV e 13,6 TeV).
• Volume: Eles analisaram 196 "femtobarns inversos" de dados. Para visualizar isso, imagine tirar uma foto de cada colisão individual que ocorreu durante esses anos. É um conjunto de dados tão grande que levaria anos a um supercomputador processá-lo sem as ferramentas especializadas que o ATLAS construiu.

Os Resultados: Os Fantasmas Permanecem Ocultos

Após peneirar milhões de eventos, a equipe não encontrou nenhuma evidência desses charginos ou neutralinos.

• A Comparação: Eles compararam o que viram nos dados com o que o Modelo Padrão (nossa melhor teoria atual da física) prevê. Os dados corresponderam perfeitamente às previsões do Modelo Padrão. É como procurar um tipo específico de alienígena em uma floresta e encontrar apenas cervos, árvores e pássaros—exatamente o que se esperava ver.
• A Exclusão: Como não encontraram as partículas, puderam estabelecer uma "cerca" em torno de onde essas partículas não podem estar. Concluíram que, se esses charginos e neutralinos existirem e decaírem dessa maneira, devem ser mais pesados do que 1.100 GeV (aproximadamente 1.100 vezes a massa de um próton). Se fossem mais leves que isso, o detector ATLAS os teria visto até agora.

A Conclusão

O artigo conclui que, para o cenário específico em que esses superparceiros decaem em bósons de Higgs e léptons, as versões "leves" (entre 150 e 1.100 GeV) não existem.

Em termos simples: a equipe do ATLAS procurou muito intensamente por um tipo específico de partícula pesada e fantasmagórica que quebra as regras usuais da física. Eles não encontraram nada além do ruído de fundo esperado. Embora isso não prove que essas partículas não existam de forma alguma, indica que elas são ou muito mais pesadas do que pensávamos, ou não decaem da maneira prevista por essa teoria específica. A busca por "nova física" continua, mas esta porta em particular permanece fechada por enquanto.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Busca por Charginos e Neutralinos com Decaimentos Violadores de Paridade-R em $B-L$ em Colisões $pp$a$\sqrt{s}=13$ TeV e 13,6 TeV com o Detector ATLAS

Problema e Motivação
A Supersimetria (SUSY) oferece uma solução para o problema da hierarquia dentro do Modelo Padrão (MP), mas o espaço de parâmetros completo permite violação do número bariônico ($B$) e do número leptônico ($L$). Embora a conservação de paridade-$R$ seja frequentemente imposta para evitar o decaimento rápido do próton, existem teorias viáveis fenomenologicamente que violam a paridade-$R$ (RPV). Especificamente, o Modelo Padrão Supersimétrico Mínimo com $B-L$ introduz uma simetria de calibre $U(1)_{B-L}$ e neutrinos estéreis de mão direita. Neste quadro, a quebra espontânea de $U(1)_{B-L}$ viola o número leptônico, permitindo que os superparceiros decaiam diretamente em partículas do MP.

Este trabalho visa um cenário específico envolvendo uma partícula supersimétrica mais leve (LSP) do tipo wino e uma partícula supersimétrica próxima à mais leve (NLSP). Neste modelo, o chargino ($\tilde{\chi}^\pm_1$) e o neutralino ($\tilde{\chi}^0_1$) são quase degenerados em massa (divisão $< 200$ MeV), o que suprime decaimentos padrão conservadores de paridade-$R$. Em vez disso, essas partículas sofrem decaimentos RPV prompt principalmente em um bóson de Higgs ($h$) e um lépton ($\ell$) ou neutrino ($\nu$): $\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ e $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$. Buscas anteriores do ATLAS visaram decaimentos RPV em bósons $Z$ ou esquarks top; esta análise fornece sensibilidade complementar ao focar no canal de decaimento do bóson de Higgs ($h \to b\bar{b}$), uma região do espaço de fase previamente menos explorada para esses modos específicos de produção de eletro-ino.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector ATLAS no Grande Colisor de Hádrons (LHC) entre 2015 e 2023. O conjunto de dados compreende uma luminosidade integrada de 196 fb$^{-1}$, dividida entre 140 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}=13$ TeV (Run 2) e 56 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}=13,6$ TeV (Run 3).

• Topologia do Sinal: A busca visa a produção em par eletrofraca ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$) e a produção associada ($\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$).
  • O canal $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ resulta em um estado final com dois léptons de sinais opostos e dois bósons de Higgs (quatro jatos $b$).
  • O canal $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ resulta em um lépton, dois bósons de Higgs (quatro jatos $b$) e momento transversal ausente ($E_T^{\text{miss}}$) proveniente do neutrino.
• Seleção de Eventos: Os eventos devem ter pelo menos quatro jatos, com pelo menos três identificados como jatos marcados como $b$ (b-tagged) usando o algoritmo GN2. A seleção de léptons exige elétrons ou múons de alto $p_T$ ($p_T > 40$ GeV).
  • Região de Dois Léptons (SR2$\ell$): Exige dois léptons de sinais opostos. A análise reconstrói dois candidatos a bóson de Higgs e dois candidatos a chargino. A variável $A_C$ (assimetria de massa entre os dois candidatos a chargino reconstruídos) é usada para suprimir o fundo.
  • Região de Um Lépton (SR1$\ell$): Exige um lépton e $E_T^{\text{miss}}$ significativo. A massa do neutralino é reconstruída via massa transversal ($m_{N,T}$) usando um candidato a Higgs e $E_T^{\text{miss}}$.
• Estimativa de Fundo: O fundo dominante é a produção de pares de quarks top ($t\bar{t}$), particularmente $t\bar{t}$ com jatos de sabor pesado ($t\bar{t}+b$). As normalizações de fundo são derivadas de dados usando regiões de controle (CRs) que invertem critérios específicos de seleção de sinal (por exemplo, janelas de massa do Higgs ou variáveis cinemáticas). Regiões de validação (VRs) confirmam a extrapolação dos modelos de fundo.
• Análise Estatística: Um ajuste de verossimilhança perfilada é realizado usando o framework pyhf. Incertezas sistemáticas (experimentais, teóricas e estatísticas de MC) são tratadas como parâmetros de incômodo. Limites são estabelecidos ao nível de confiança de 95% (CL) usando a prescrição $CL_s$.

Principais Contribuições

1. Primeiras Restrições no Canal de Higgs RPV: Este trabalho apresenta as primeiras restrições de busca sobre a produção de charginos e neutralinos onde o modo de decaimento dominante é em um bóson de Higgs e um lépton/neutrino no quadro do MSSM com $B-L$.
2. Marcagem $b$ Avançada: A análise aproveita o algoritmo de marcação $b$ baseado em transformadores GN2, que oferece rejeição de fundo aprimorada em comparação com algoritmos anteriores, crucial para isolar o sinal $h \to b\bar{b}$.
3. Dados Combinados do Run 2 e Run 3: A análise integra dados tanto do Run 2 do LHC (13 TeV) quanto do Run 3 (13,6 TeV), utilizando a luminosidade e energia aumentadas para sondar faixas de massa mais altas.
4. Limites Específicos de Sabor: Além da suposição padrão de frações de ramificação iguais para todos os sabores de léptons, a análise deriva limites específicos para cenários puramente eletrônicos, puramente muônicos e puramente tau, demonstrando o impacto da eficiência de reconstrução de léptons na sensibilidade.

Resultados
Os dados observados são consistentes com as previsões do Modelo Padrão em todas as regiões de sinal. Nenhum excesso significativo de eventos foi observado.

• Limites Independentes de Modelo: Limites superiores foram estabelecidos sobre a seção de choque visível para processos além do Modelo Padrão em quatro "regiões de descoberta" (SR2$\ell$, SR2$\ell$700, SR1$\ell$, SR1$\ell$600).
• Exclusões Dependentes de Modelo:
  • Para o cenário onde charginos e neutralinos decaem com fração de ramificação de 100% para $h\ell$ e $h\nu$, respectivamente, e assumindo frações de ramificação iguais para os sabores elétron, múon e tau, charginos e neutralinos com massas entre 150 GeV e 1100 GeV são excluídos a 95% CL.
  • Para a hipótese puramente eletrônica, massas entre 150 GeV e 1225 GeV são excluídas.
  • Para a hipótese puramente muônica, massas entre 150 GeV e 1150 GeV são excluídas.
  • Para a hipótese puramente tau, massas entre 450 GeV e 750 GeV são excluídas. A menor sensibilidade para o canal tau é atribuída à dificuldade em reconstruir taus que decaem hadronicamente e à perda de energia em decaimentos leptônicos de tau, o que frequentemente resulta em léptons-filhos ficando abaixo do limiar de $p_T$.

Significância
O artigo afirma que estes resultados fornecem as primeiras restrições sobre o modelo de sinal simplificado para charginos e neutralinos decaindo via bósons de Higgs no contexto da violação de paridade-$R$ em $B-L$. A exclusão de massas até 1100–1225 GeV (dependendo da hipótese de sabor) estende significativamente o alcance de buscas anteriores que visavam decaimentos de bósons $Z$ (que excluíam massas até ~975 GeV). A análise demonstra que o canal de decaimento do Higgs, apesar da multiplicidade desafiadora de jatos $b$ e do ambiente de fundo, oferece uma sonda poderosa e complementar para a produção de eletro-ino em cenários RPV. Os resultados são interpretados como limites sobre seções de choque independentes de modelo e parâmetros específicos do Modelo Padrão Supersimétrico Mínimo, contribuindo para o esforço mais amplo de restringir o espaço de parâmetros da SUSY.