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

ATLAS 实验分析了 140 fb$^{-1}$的 13 TeV 和 56 fb$^{-1}$的 13.6 TeV 质子 - 质子对撞数据，以搜寻通过$B-L$ $R$宇称破坏耦合衰变为希格斯玻色子和轻子的带电轻子与中性微子，未发现新物理证据，并将带电轻子与中性微子的质量在 95% 置信水平下的排除上限设定至 1100 GeV。

要点

想象一下，大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的“粒子粉碎机”。它以接近光速的速度将微小的质子相互撞击，产生一场混乱的能量爆炸。通常，这种能量会转化为我们已知且理解的粒子，如电子和夸克。但物理学家怀疑，在这混乱之中隐藏着“超对称伙伴”——即我们已知粒子的幽灵般、更重的孪生兄弟，它们由一种称为超对称（SUSY）的理论所预言。

本文是一份来自ATLAS 实验的报告，ATLAS 是 LHC 上的一个巨型探测器，它如同一台高速、360 度的相机，试图捕捉这些幽灵般孪生兄弟的踪迹。具体来说，该团队正在寻找两种类型的超对称伙伴：charginos（带电超对称粒子）和neutralinos（中性超对称粒子）。

谜团："R-宇称”规则

在该理论的许多版本中，存在一条称为R-宇称的规则。可以将 R-宇称想象成一家俱乐部里一位严格的门卫。

• 普通粒子（如电子）的"R 值”为 +1。
• 超对称伙伴的"R 值”为 -1。
• 规则：如果 R-宇称守恒，超对称伙伴必须成对产生，且它们永远不能衰变仅为普通粒子。最轻的超对称伙伴将是稳定且不可见的，会像幽灵一样逃离探测器。

然而，本文探讨了一种不同的情景：R-宇称破缺（RPV）。想象这位门卫累了，允许超对称伙伴溜走并直接衰变为普通粒子。在这个特定模型中，charginos 和 neutralinos 被预言会衰变为一个希格斯玻色子（一种赋予其他粒子质量的名声显赫的粒子）和一个轻子（电子、μ子或τ子）。

搜寻：寻找“希格斯特征”

ATLAS 团队设立了一个非常具体的陷阱来捕捉这些衰变。他们知道，如果一个 chargino 或 neutralino 衰变为希格斯玻色子，该希格斯玻色子几乎会立即分裂为两个底夸克（在探测器中表现为粒子“喷注”）。

因此，搜寻策略就像在凌乱的房间里寻找特定的模式：

1. 轻子：他们寻找包含一个或两个高能电子或μ子（来自衰变的“轻子”）的事件。
2. 希格斯双胞胎：他们寻找至少三个被标记为源自底夸克的“喷注”。由于信号涉及两个超对称伙伴的衰变，他们预期会看到两个希格斯玻色子，这意味着四个底夸克喷注。
3. 缺失的部分：在某些情景中，还会产生一个中微子（一种不可见的粒子），带走部分能量。探测器将此测量为“缺失横向动量”。

数据：海量的碰撞库

该团队分析了一个庞大的数据库：

• 时间范围：2015 年至 2023 年的碰撞数据。
• 能量：两个不同的能级（13 TeV 和 13.6 TeV）。
• 体量：他们分析了 196 个“逆飞靶”的数据。为了形象化这一点，想象一下拍摄了那些年发生的每一次碰撞的快照。这是一个如此庞大的数据集，如果没有 ATLAS 构建的专用工具，超级计算机需要数年才能处理完毕。

结果：幽灵依然隐匿

在筛选了数百万个事件后，团队未发现任何 charginos 或 neutralinos 存在的证据。

• 对比：他们将数据中的观测结果与标准模型（我们目前最好的物理理论）的预测进行了比较。数据与标准模型的预测完美吻合。这就像在森林中寻找一种特定类型的外星生物，结果只发现了鹿、树木和鸟类——这正是你预期会看到的东西。
• 排除：由于未发现这些粒子，他们可以划定一个“围栏”，界定这些粒子不可能存在的区域。他们得出结论，如果这些 charginos 和 neutralinos 存在并以这种方式衰变，它们的质量必须大于1,100 GeV（大约是质子质量的 1,100 倍）。如果它们比这更轻，ATLAS 探测器到现在应该已经发现了它们。

结论

该论文得出结论：对于超对称伙伴衰变为希格斯玻色子和轻子的特定情景，质量较轻的版本（介于 150 到 1,100 GeV 之间）并不存在。

简而言之：ATLAS 团队非常努力地搜寻一种特定的、打破常规物理规则的重型幽灵粒子。他们除了预期的背景噪声外一无所获。虽然这并不能证明这些粒子完全不存在，但这表明它们要么比我们想象的要重得多，要么它们并不像该特定理论预言的那样衰变。对“新物理”的搜寻仍在继续，但这扇特定的门目前仍然关闭。

技术摘要

技术摘要：利用 ATLAS 探测器在 $\sqrt{s}=13$ TeV 和 13.6 TeV $pp$对撞中搜寻具有$B-L$ $R$ 宇称破坏衰变的带电费微子与中性微子

问题与动机
超对称（SUSY）为标准模型（SM）中的等级问题提供了解决方案，但其完整的参数空间允许重子数（$B$）和轻子数（$L$）破坏。虽然通常强制实施 $R$ 宇称守恒以防止质子快速衰变，但现象学上可行的 $R$ 宇称破坏（RPV）理论确实存在。具体而言，$B-L$ 最小超对称标准模型引入了 $U(1)_{B-L}$ 规范对称性和右手中微子。在该框架下，$U(1)_{B-L}$ 的自发破缺破坏了轻子数，使得超粒子能够直接衰变为标准模型粒子。

本文针对一种涉及类 wino 最轻超对称粒子（LSP）和次轻超对称粒子（NLSP）的特定场景。在该模型中，带电费微子（$\tilde{\chi}^\pm_1$）和中性微子（$\tilde{\chi}^0_1$）质量几乎简并（分裂 $< 200$ MeV），从而抑制了标准的 $R$ 宇称守恒衰变。相反，这些粒子发生瞬发 RPV 衰变，主要衰变为希格斯玻色子（$h$）和轻子（$\ell$）或中微子（$\nu$）：$\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ 和 $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$。此前的 ATLAS 搜索主要针对衰变为 $Z$ 玻色子或顶夸克标量粒子的 RPV 过程；本分析通过聚焦于希格斯玻色子衰变道（$h \to b\bar{b}$）提供互补的灵敏度，这是此前针对这些特定电弱微子产生模式较少探索的相空间区域。

方法论
本分析利用了大型强子对撞机（LHC）上 ATLAS 探测器在 2015 年至 2023 年间采集的质子 - 质子对撞数据。数据集包含 196 fb$^{-1}$ 的积分亮度，其中 140 fb$^{-1}$ 来自 $\sqrt{s}=13$ TeV（第 2 次运行），56 fb$^{-1}$ 来自 $\sqrt{s}=13.6$ TeV（第 3 次运行）。

• 信号拓扑： 搜索针对电弱对产生（$\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$）和伴随产生（$\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$）。
  • $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ 通道导致最终态包含两个相反符号的轻子和两个希格斯玻色子（四个 $b$ 喷注）。
  • $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ 通道导致最终态包含一个轻子、两个希格斯玻色子（四个 $b$ 喷注）以及来自中微子的丢失横向动量（$E_T^{\text{miss}}$）。
• 事例选择： 要求事例至少包含四个喷注，其中至少三个被 GN2 算法识别为 $b$ 标记喷注。轻子选择要求高 $p_T$ 的电子或缪子（$p_T > 40$ GeV）。
  • 双轻子区域（SR2$\ell$）： 要求两个相反符号的轻子。分析重建两个希格斯玻色子候选者和两个带电费微子候选者。变量 $A_C$（两个重建的带电费微子候选者之间的质量不对称性）用于抑制背景。
  • 单轻子区域（SR1$\ell$）： 要求一个轻子和显著的 $E_T^{\text{miss}}$。利用希格斯候选者和 $E_T^{\text{miss}}$ 通过横向质量（$m_{N,T}$）重建中性微子质量。
• 背景估计： 主导背景是顶夸克对产生（$t\bar{t}$），特别是带有重味喷注的 $t\bar{t}$（$t\bar{t}+b$）。背景归一化是利用控制区（CRs）从数据中导出的，这些控制区反转了特定的信号选择标准（例如希格斯质量窗口或运动学变量）。验证区（VRs）确认了背景模型的外推。
• 统计分析： 使用 pyhf 框架执行剖面似然拟合。系统不确定性（实验的、理论的和蒙特卡洛统计的）被视为干扰参数。使用 $CL_s$ 方案在 95% 置信水平（CL）下设定上限。

主要贡献

1. 希格斯通道 RPV 的首次约束： 本工作在 $B-L$ MSSM 框架下，首次对主要衰变模式为希格斯玻色子和轻子/中微子的带电费微子和中性微子产生提出了搜索约束。
2. 先进的 $b$ 标记： 分析利用了基于 Transformer 的 GN2 $b$ 标记算法，与之前的算法相比，该算法提供了更好的背景拒绝能力，这对于分离 $h \to b\bar{b}$ 信号至关重要。
3. 第 2 次和第 3 次运行数据的结合： 分析整合了 LHC 第 2 次运行（13 TeV）和第 3 次运行（13.6 TeV）的数据，利用增加的亮度和能量探测更高的质量范围。
4. 特定味道的限制： 除了假设对所有轻子味道具有相等的分支比这一标准假设外，分析推导了纯电子、纯缪子和纯陶子情形的特定限制，展示了轻子重建效率对灵敏度的影响。

结果
观测数据在所有信号区域均与标准模型预测一致。未观察到显著的事例超出。

• 模型无关限制： 在四个“发现区域”（SR2$\ell$、SR2$\ell$700、SR1$\ell$、SR1$\ell$600）中，对超出标准模型过程的可见截面设定了上限。
• 模型相关排除：
  • 对于带电费微子和中性微子分别以 100% 的分支比衰变为 $h\ell$ 和 $h\nu$，且假设对电子、缪子和陶子味道具有相等分支比的情形，质量在 150 GeV 至 1100 GeV 之间的带电费微子和中性微子在 95% CL 下被排除。
  • 对于纯电子假设，质量在 150 GeV 至 1225 GeV 之间被排除。
  • 对于纯缪子假设，质量在 150 GeV 至 1150 GeV 之间被排除。
  • 对于纯陶子假设，质量在 450 GeV 至 750 GeV 之间被排除。陶子通道灵敏度较低归因于重建强子衰变陶子的困难以及轻子衰变陶子中的能量损失，这通常导致子轻子落在 $p_T$ 阈值以下。

意义
本文声称，这些结果提供了在 $B-L$ $R$ 宇称破坏背景下，通过希格斯玻色子衰变的简化信号模型对带电费微子和中性微子的首次约束。排除高达 1100–1225 GeV（取决于味道假设）的质量，显著扩展了此前针对 $Z$ 玻色子衰变搜索的覆盖范围（后者排除了高达约 975 GeV 的质量）。分析表明，尽管面临 $b$ 喷注多重性和背景环境的挑战，希格斯衰变道仍为 RPV 情形下的电弱微子产生提供了强大且互补的探测手段。结果被解释为对模型无关截面和特定最小超对称标准模型参数的限制，有助于更广泛地约束 SUSY 参数空间的努力。