Search for new physics using single-lepton events with high multiplicities of jets and b jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb$^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a 13 TeV do detector CMS, este estudo busca por supersimetria com violação de R-paridade em eventos de lépton único com altas multiplicidades de jatos e b-jatos através da análise de massas de jatos de grande raio, não encontrando excesso significativo e excluindo massas de gluino abaixo de 1890 GeV com um nível de confiança de 95%.

O essencial

O Panorama Geral: Caçando Partículas "Fantasmas" em uma Máquina de Pinball Cósmica

Imagine o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN como a máquina de pinball cósmica mais poderosa do mundo. Cientistas colidem dois fluxos de prótons a quase a velocidade da luz. Normalmente, essas colisões criam uma chuva previsível de partículas que seguem as regras do "Modelo Padrão" (o livro de regras da física que já conhecemos).

Mas, às vezes, o livro de regras pode estar incompleto. Este artigo descreve uma busca por nova física — especificamente uma teoria chamada Supersimetria (SUSY) — que pode explicar coisas que o livro de regras atual não consegue.

O Mistério: O Problema do "Dinheiro Desaparecido"

Em muitas versões da Supersimetria, quando novas partículas pesadas são criadas, elas decaem em uma partícula estável e invisível (como um candidato à matéria escura). Como essa partícula invisível voa para longe sem atingir nenhum detector, ela parece dinheiro desaparecido em uma conta bancária. Os cientistas geralmente procuram por esse "dinheiro desaparecido" (chamado de momento transversal ausente) para encontrar nova física.

No entanto, este artigo investiga uma versão diferente da teoria chamada Supersimetria com Violação de Paridade-R (RPV) .

• A Analogia: Imagine um assaltante de banco que não apenas rouba o dinheiro e desaparece. Em vez disso, ele rouba o dinheiro e imediatamente o gasta todo em itens visíveis (como barras de ouro e joias) antes de fugir.
• O Resultado: Não sobra "dinheiro desaparecido". O ladrão se foi, mas a pilha de ouro e joias (as partículas) é enorme e muito óbvia.

Como não há "dinheiro desaparecido" para procurar, os cientistas tiveram que mudar sua estratégia. Eles pararam de procurar pelo espaço vazio e começaram a procurar por pilhas massivas de detritos.

A Estratégia: Contando os Detritos

Os cientistas focaram em um cenário específico onde uma partícula pesada chamada glúino (pense nela como uma partícula de "cola" superpesada) é criada e depois explode.

• A Explosão: Quando o glúino explode, ele não cria apenas algumas migalhas; ele cria uma tempestade caótica de jatos (jatos de partículas).
• Os Detalhes: A teoria prevê que cada explosão cria um quark top, um quark bottom e um quark strange. Os quarks bottom são como "barras de ouro pesadas" nesta tempestade.
• O Sinal: Os cientistas buscaram eventos com:
  1. Um Lépton: Um único elétron ou múon (como uma faísca distinta e única na tempestade).
  2. Alta Multiplicidade de Jatos: Um número enorme de jatos de partículas (a própria tempestade).
  3. Muitos "b-jets": Muitos desses jatos contendo quarks bottom pesados (as barras de ouro).
  4. Sem Energia Ausente: O "ladrão" não partiu com nenhum saque invisível.

Para medir o tamanho dessa tempestade, eles usaram uma ferramenta especial chamada $M_J$ (a soma das massas de grandes aglomerados de partículas). Se a nova física existir, esse número deve ser muito alto, criando uma "montanha" de dados que não se encaixa nas colinas normais do fundo (background).

O Método: O Trabalho de Detetive "Baseado em Dados"

A parte mais difícil deste experimento é saber o que é o "normal". O ruído de fundo vem de colisões de partículas padrão (como pares de quarks top) que podem acidentalmente parecer o sinal.

Em vez de confiar inteiramente em simulações de computador (que às vezes podem estar erradas sobre as "caudas" da distribuição), a equipe utilizou uma abordagem baseada em dados:

1. Regiões de Controle: Eles observaram áreas dos dados onde sabiam que existia apenas o ruído de fundo (como observar uma rua calma para entender o som do tráfego).
2. Calibração: Eles mediram como o fundo se comportava nessas áreas calmas e usaram isso para prever como o fundo deveria parecer nas "Regiões de Sinal" (as ruas movimentadas onde esperavam encontrar a nova física).
3. O Ajuste (Fit): Eles compararam os dados reais nas Regiões de Sinal contra suas previsões.

Os Resultados: O Silêncio dos Glúinos

Após analisar 138 unidades de dados (uma quantidade enorme de histórico de colisões coletado entre 2016 e 2018), os cientistas encontraram:

• Sem Surpresas: Os dados corresponderam perfeitamente às previsões de fundo. Não houve uma "montanha" de nova física.
• A Exclusão: Como não viram o sinal, puderam descartar certas possibilidades. Eles concluíram que, se esses glúinos específicos existem, eles devem ser mais pesados que 1.890 GeV (cerca de 2.000 vezes mais pesados que um próton).
• A Conclusão: Qualquer glúino mais leve que esse foi "excluído" (descartado) por esta busca.

Resumo

Este artigo é um jogo de alto risco de "Onde está o Wally?" em uma multidão massiva de partículas. A equipe procurou por um tipo específico de "ladrão" (um glúino) que deixa para trás uma pilha massiva de evidências visíveis (jatos e quarks bottom), mas nenhum saque invisível. Eles verificaram cada canto dos dados, calibraram sua busca usando exemplos do mundo real e não encontraram nada. Consequentemente, declararam que, se essas partículas existem, elas são pesadas demais para terem sido capturadas nesta rede específica. A busca por versões mais leves dessas partículas resultou em vazio.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Busca por Nova Física em Eventos de Leptão Único com Altas Multiplicidades de Jets em $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema e Motivação
O Modelo Padrão (SM) descreve com sucesso as partículas fundamentais, mas falha em abordar desafios teóricos como as hierarquias de massa de partículas e a unificação das constantes de acoplamento. A Supersimetria (SUSY) oferece uma solução potencial, contudo, buscas por SUSY que preservam a paridade-R frequentemente dependem de assinaturas de grande momento transversal ausente ($p^{\text{miss}}_T$), as quais estão ausentes em cenários de violação da paridade-R (RPV). Em modelos RPV, a partícula supersimétrica mais leve (LSP) pode decair em partículas do SM, eliminando a assinatura de $p^{\text{miss}}_T$ e exigindo estratégias de busca alternativas. Este artigo aborda a busca por RPV SUSY, focando especificamente na produção de pares de gluinos, onde os gluinos decaem em quarks top ($t$), bottom ($b$) e strange ($s$) via o acoplamento $\lambda''_{323}$ em um arcabouço de violação mínima de sabor. A análise visa eventos com altas multiplicidades de jets, altas contagens de jets $b$ e um leptão único, sem exigir momento transversal ausente significativo.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector CMS no LHC/CERN durante 2016–2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb$^{-1}$ a uma energia de centro de massa de 13 TeV.

• Seleção de Eventos: Os eventos são selecionados exigindo exatamente um elétron ou múon isolado ($N_{\text{lep}} = 1$), pelo menos quatro jets de raio pequeno ($R=0.4$) e uma soma escalar dos momentos transversais dos jets ($H_T$) superior a 1200 GeV. Um discriminante fundamental é a soma das massas dos jets de raio grande ($M_J$), definida como a soma das massas dos jets agrupados com $R=1.2$ (incluindo o leptão selecionado). Um requisito basal de $M_J > 500$ GeV é aplicado.
• Regiões de Análise: A busca é realizada em bins de multiplicidade de jets ($N_{\text{jet}}$) e no número de jets com marcação de $b$ ($N_b$). As regiões de sinal (SRs) são definidas em bins de alta $N_{\text{jet}}$ e alta $N_b$ (especificamente $N_{\text{jet}} \ge 8$ e $N_b \ge 3$), enquanto regiões de controle (CRs) com menores multiplicidades são utilizadas para restringir as normalizações do fundo (background).
• Estimativa de Fundo: Os fundos dominantes são a produção de pares de quarks top ($t\bar{t}$), W+jets e eventos de multijets QCD. Uma abordagem baseada em dados é empregada, onde as normalizações do fundo são determinadas via um ajuste simultâneo à distribuição de $M_J$ em todos os bins.
  • Fatores $\kappa$: Para corrigir discrepâncias entre simulação e dados na forma de $M_J$, fatores de correção ($\kappa_1$ e $\kappa_2$) são derivados de amostras de controle independentes para multijets QCD, W+jets e $t\bar{t}$. Esses fatores são restringidos em um ajuste global utilizando a alta estatística das regiões de baixa $N_b$.
  • Normalização: As normalizações de $t\bar{t}$ e multijets QCD são tratadas como parâmetros livres restritos por CRs (incluindo uma região $N_{\text{lep}}=0$ com requisitos de $N_{\text{jet}}$ deslocados). A normalização de W+jets é restringida por um parâmetro global em todos os bins.
• Incertezas Sistemáticas: As incertezas incluem escala/resolução de energia de jet, eficiência de marcação de $b$ (b-tagging), identificação de léptons, pileup e variações de escala teórica. A análise aborda especificamente potenciais dependências da forma de $M_J$ em relação a $N_b$ (ex: por divisão de glúons) ao atribuir incertezas separadas para cada bin de $N_b$.

Principais Contribuições

• Novo Discriminante: O artigo demonstra a eficácia da soma das massas dos jets de raio grande ($M_J$) como uma variável robusta para distinguir eventos de sinal de alta multiplicidade dos fundos do SM na ausência de $p^{\text{miss}}_T$.
• Modelagem de Fundo Baseada em Dados: Uma estratégia refinada é apresentada, onde os fundos são normalizados separadamente em cada bin de $N_b$. Isso mitiga incertezas sistemáticas relacionadas à composição de sabor de jets e divisão de glúons, que foram fatores limitantes em análises anteriores.
• Estrutura de Ajuste Abrangente: O uso de um ajuste de máxima verossimilhança binned simultâneo através de bins de $N_{\text{jet}}$, $N_b$ e $M_J$ permite a extração simultânea de normalizações de fundo e correções de forma (fatores $\kappa$), maximizando o uso de regiões de controle para restringir regiões de sinal.

Resultados
Os rendimentos de eventos observados nas regiões de sinal são consistentes com as previsões de fundo. Nenhum excesso significativo de dados sobre o fundo é observado na distribuição de $M_J$.

• Limites de Exclusão: Com base no resultado nulo, limites superiores na seção de choque de produção vezes a razão de ramificação (branching ratio) são estabelecidos ao nível de confiança de 95% (CL).
• Limites de Massa: Para o modelo simplificado específico de produção de pares de gluinos ($\tilde{g}\tilde{g} \to tbs \, tbs$), massas de gluino abaixo de 1890 GeV são excluídas a 95% CL. Este resultado melhora os limites anteriores, incluindo os do experimento ATLAS (1830 GeV) e resultados anteriores do CMS.

Significância
Este trabalho fornece um teste rigoroso da supersimetria com violação de paridade-R em um regime caracterizado por altas multiplicidades de jets e jets $b$ sem momento transversal ausente. Ao excluir massas de gluino até 1890 GeV, a análise restringe significativamente o espaço de parâmetros de modelos de RPV SUSY de violação mínima de sabor. A metodologia, particularmente a estimativa de fundo baseada em dados usando templates de $M_J$ e normalização por bins de $N_b$, oferece um arcabouço robusto para futuras buscas de nova física em estados finais de alta multiplicidade onde as assinaturas tradicionais de energia ausente não são aplicáveis. Os resultados são consistentes com o Modelo Padrão e representam a busca mais sensível até o momento para esta topologia específica de decaimento de gluino.