Search for heavy long-lived charged particles with level-1 trigger scouting data from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

本文利用 2024 年 CMS 质子 - 质子对撞（$\sqrt{s}$ = 13.6 TeV）中新型一级触发探测数据，首次开展重长寿命带电粒子的搜寻，确立了产生截面的上限，并证明了通过分析跨越多个束团交叉相互作用的粒子来扩展对更低$\beta$值灵敏度的概念可行性。

要点

想象一下，大型强子对撞机（LHC）就像一个巨大且高速的火车站，质子（微小粒子）在这里每秒被撞击数十亿次。通常，车站的安检系统（即“触发器”）忙得不可开交，因此只允许极小一部分乘客通过闸机并被记录。该系统被设定为专门寻找特定的、高速移动的“贵宾”（那些瞬间穿梭于车站的粒子）。

然而，科学家们怀疑人群中可能存在“慢行者”——那些质量巨大、移动缓慢的粒子，它们需要很长时间才能穿过车站。由于它们行动迟缓，标准安检系统往往会忽略它们，要么认为它们只是噪声，要么因为它们不符合“快速贵宾”的特征而将其置若罔闻。

本文介绍的是 CMS 合作组进行的一项新实验，该实验决定尝试一种不同的方法：数据侦察（Data Scouting）。

“侦察”策略

团队没有等待安检系统决定放行哪些乘客，而是采用了一套“侦察”系统。这套系统会记录每一位通过闸机的人的微小、压缩摘要，无论其行走速度如何。这就像有一位安检员，即使有人只是在闲逛，也会迅速拍下每个人的鞋子和速度，而不会停下来要求出示车票。

由于他们记录了所有（受存储限制，几乎是所有）数据，他们便能寻找那些被常规系统忽略的“慢行者”。

“重长寿命”粒子的谜团

科学家们正在搜寻重稳定带电粒子（HSCPs）。可以将它们想象成极其沉重、移动缓慢的幽灵。

• 重：它们比正常粒子重得多。
• 慢：由于质量巨大，它们行动迟缓（就像在走廊里滚动的保龄球，与子弹相比）。
• 长寿命：它们不会迅速消失，而是能停留足够长的时间以穿越整个探测器。

在过去，如果这些粒子太慢，它们穿越探测器所需的时间会如此之长，以至于它们到达的时间段（称为“束团交叉”）与产生它们的碰撞时间不同。旧的安检系统要求粒子旅程的开始和结束必须发生在完全相同的时间段内。如果粒子太慢，系统就会切断联系并丢弃数据。

他们如何捕捉到“慢行者”

通过使用“侦察”数据，团队能够将粒子的旅程拼接起来，即使它穿越探测器花费了多个时间段。

• 类比：想象接力赛中的一名跑步者。在旧系统中，如果跑步者传递接力棒花费了太长时间，赛事官员会认为该跑步者未完成比赛。而在新系统中，官员们从起点到终点全程观察这名跑步者，即使他在赛段之间打了个盹。他们能看到跑步者冲过了终点线，即使那是在与起跑不同的“圈次”。

他们的发现

团队分析了 2024 年的数据，寻找这些缓慢、沉重的粒子。

• 结果：他们没有发现任何“慢行者”。没有发现新的重粒子。
• 结论：由于未找到它们，他们为这些粒子可能存在的范围设定了“速度限制”。他们实质上表示：“如果这些重粒子存在，它们必须比我们想象的更稀有，或者它们移动的速度必须比我们当前搜索能捕捉到的还要慢。”

为何这很重要

尽管他们没有发现这些粒子，但该实验因另一个原因取得了巨大成功：概念验证。

• 它证明了“侦察”系统是有效的。这表明科学家现在可以寻找那些在以往搜索中处于盲区（具体而言，是以光速 15% 到 50% 的速度移动）的粒子。
• 它打开了一扇新的大门。在此之前，如果粒子太慢，对探测器来说就是不可见的。现在，大门已开，未来可以寻找这些“慢速”重粒子。

总结

这篇论文是一份关于观察宇宙新方式的报告单。CMS 团队尝试了一种新技术，旨在寻找以往搜索所遗漏的重、慢速移动粒子。虽然他们没有发现这些粒子，但他们证明了新技术的有效性，并成功排除了这些粒子可能藏身之处的某些可能性。这就像用一种新型手电筒检查黑暗的房间；虽然没有发现怪物，但你证明了手电筒是有效的，并且可以确定该特定位置绝对没有怪物。

技术摘要

技术摘要：利用一级触发探测数据搜索重长寿命带电粒子

问题与动机
重稳定带电粒子（HSCPs）被各种超出标准模型（BSM）的理论所预言，包括超对称和额外维度。如果这些粒子在大型强子对撞机（LHC）的质子 - 质子碰撞中产生，由于其质量大、速度慢（$\beta = v/c$），它们将以高电离能损和异常长的飞行时间穿过探测器。

CMS 合作组及其他实验之前的搜索主要依赖标准触发策略，例如基于μ子的触发，要求径迹重建在径迹探测器和μ子探测器中必须对齐在同一个束团交叉（BX）内。这种方法限制了对 $\beta \gtrsim 0.6$ 的 HSCPs 的灵敏度，这类粒子可以在一个 BX 内穿过探测器。极慢的粒子（$\beta \lesssim 0.6$）通常需要多个 BX 才能穿过μ子探测器，导致它们无法满足标准触发条件。虽然存在缺失横向动量触发，但其效率低且依赖于模型。因此，之前的 LHC 搜索仅限于质量高达约 3 TeV 的 HSCP，且难以探测低-$\beta$ 区域。

方法
本分析展示了首次利用 CMS 新颖的一级触发数据探测（L1DS）系统进行的 HSCP 搜索。与仅在满足特定触发条件时记录完整事件数据的传统数据采集不同，L1DS 系统直接从一级（L1）触发获取数据，采样率为完整的 40 MHz 束团交叉率（25 ns 间隔），且无任何预选择。

• 数据样本：搜索使用了 2024 年采集的质子 - 质子碰撞数据，质心系能量为 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV。该数据集对应的积分亮度为 3.7 fb$^{-1}$，采集时使用了预缩放因子 $N=15$（每 15 圈轨道存储一圈）。
• 重建策略：分析利用存储在 L1DS 输出中的“短条”（stubs，即漂移管与阻性板室击中点的组合）将 HSCPs 重建为类μ子径迹。采用了修改后的离线桶部μ子径迹查找器（kBMTF）算法。关键的是，该算法能够拟合相隔多达 8 个 BX 的短条，从而允许重建那些跨越多个 BX 穿过μ子探测器层的粒子。
• 信号模型：结果使用三个基准模型进行解释：
  1. 通过 Drell-Yan 过程产生的第四代费米子（$\tau'$）的非共振对产生。
  2. 通过重 $Z'$ 玻色子产生的 $\tau'$ 对共振产生。
  3. 长寿命胶微子（$\tilde{g}$）对产生形成 R-强子（具体为 R-胶微子球），其中 R-强子在径迹探测器中呈电中性，但在μ子探测器中可能获得电荷。
• 事例选择：根据具有 3 个或 4 个短条且跨越至少 2 个、最多 4 个 BX 的径迹选择事例。选择要求 $|\eta| < 0.83$ 且 $p_T > 15$ GeV。为了增强对特定 $\beta$ 范围的灵敏度，根据跨越的 BX 数量和短条的具体层配置（例如 BX123、BX1112）定义了 14 个不同的类别。
• 背景估计：背景主要源于束团交叉误识别的超相对论粒子或无关击中点的异步组合，直接从数据中进行估计。该方法利用“异步”径迹排序（即短条的时间排序对于从束斑出来的粒子而言是不物理的）来模拟信号区中背景物的 $p_T$ 分布。两个正交的验证区（低径迹质量和非对撞束团）证实了背景建模。

主要贡献

• L1DS 的概念验证：这项工作是基于 L1DS 系统的首个物理分析，证明了其在不带触发偏差的情况下采集和分析数据的能力。
• 扩展的 $\beta$ 灵敏度：通过重建跨越多个 BX 的径迹，该分析将灵敏度扩展至 $\beta$ 值在 0.15 到 0.80 之间的 HSCPs。这填补了之前搜索对 $\beta \lesssim 0.6$ 粒子视而不见的关键空白。
• 从中性到带电的转换：该搜索对仅在μ子探测器中与物质相互作用后才带电的中性 R-强子敏感，这是基于径迹探测器电离能损的搜索无法触及的特征。
• 高质量覆盖范围：该分析探测了高达 6.5 TeV 的 HSCP 质量，而在该范围内，由于重粒子的低 $\beta$，标准触发器无效。

结果
在 14 个搜索类别中，均未观察到超出标准模型背景预期的显著事例过剩。

• 截面限制：针对基准模型设定了 95% 置信水平（CL）下的产生截面上限。
  • 对于非共振 $\tau'$ 产生，设定了 1 至 6.5 TeV 质量范围内的限制。
  • 对于 $f=1$（产生时完全中性）的胶微子 R-强子，设定了高达 6.5 TeV 的限制。
  • 对于共振 $Z' \to \tau'\tau'$ 产生，提供了作为 $m_{\tau'}$ 和 $m_{Z'}$ 函数的二维限制。
• 几何接受度限制：针对 $p_T > 500$ GeV、$|\eta| < 0.83$ 且具有特定 $\beta$ 范围的重粒子，设定了模型无关的几何接受度截面上限。对于 $0.1875 < \beta < 0.2125$ 的粒子，最严格的限制为 3.5 fb。
• 灵敏度特征：灵敏度主要由 4 短条类别驱动，特别是 BX123 类别（跨越 3 个 BX 的 4 个短条）。灵敏度在 $\beta \approx 0.5$ 附近下降（此时粒子通常在对撞后的下一个 BX 内完全穿过探测器，模仿超相对论径迹），并在 $\beta \lesssim 0.15$ 时下降（此时粒子在探测器中停止）。

意义
该论文声称此分析是 L1DS 系统的关键概念验证，验证了其物理潜力。其主要意义在于将 HSCP 搜索的灵敏度扩展到了比之前使用标准触发策略所能达到的更低的 $\beta$ 值和更高的质量（高达 6.5 TeV）。虽然之前基于电离能损的 CMS 分析由于更大的数据集和接受度而在较低质量（$m < 2.6$ TeV）处提供了更严格的限制，但它们缺乏对高质量、低-$\beta$ 区域的灵敏度，在该区域中 HLT 效率降至零。本分析通过针对跨越多个束团交叉的慢速粒子以及μ子系统中获得电荷的中性粒子的独特特征，补充了现有的搜索。