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

本研究利用来自 CMS 探测器的 138 fb$^{-1}$ 能量为 13 TeV 的质子-质子碰撞数据，通过分析大半径喷注质量，在具有高喷注和 b-喷注多重性的单轻子事件中寻找 R-宇称破坏超对称，未发现显著过剩，并在 95% 置信水平下排除了低于 1890 GeV 的胶子质量。

要点

核心图景：在宇宙级弹珠机中搜寻“幽灵”粒子

请将欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）想象成世界上最强大的宇宙级弹珠机。科学家们让两股质子流以接近光速的速度发生碰撞。通常情况下，这些碰撞会产生遵循“标准模型”（我们已知的物理学规则手册）的、可预测的粒子喷流。

但有时，这本规则手册可能是不完整的。这篇论文描述了一项针对新物理学的搜寻——具体来说是一种被称为**超对称（SUSY）**的理论——它可能解释当前规则手册无法解释的现象。

谜团：“账目缺失”问题

在许多版本的超对称理论中，当新的重粒子被创造出来时，它们会衰变为一种稳定的、不可见的粒子（例如暗物质候选者）。由于这种不可见粒子在飞离时不会撞击任何探测器，它看起来就像银行账户中缺失的资金。科学家通常通过寻找这种“缺失的资金”（称为缺失横向动量）来发现新物理。

然而，这篇论文研究的是一种不同的理论版本，称为R-parity 破坏型（RPV）超对称。

• 类比： 想象一个银行劫匪，他不仅偷走了钱并消失，而是立即将偷来的钱全部换成了可见物品（如金条和珠宝），然后才逃跑。
• 结果： 现场没有留下任何“缺失的资金”。小偷虽然不见了，但留下的金条和珠宝（粒子）却非常庞大且显眼。

因为没有“缺失的资金”可以寻找，科学家们不得不改变策略。他们不再寻找空白区域，而是开始寻找巨大的碎片堆。

策略：清点碎片

科学家们专注于一种特定的情景：一个被称为**胶子夸克（gluino）**的重粒子（可以想象成一种超重的“胶水”粒子）被创造出来并随后发生爆炸。

• 爆炸： 当胶子夸克爆炸时，它制造的不仅仅是几粒碎屑；它会创造一场由喷注（jets）（粒子喷流）组成的混乱风暴。
• 细节： 该理论预测，每一次爆炸都会产生一个顶夸克、一个底夸克和一个奇夸克。其中的底夸克就像这场风暴中的“重型金条”。
• 信号： 科学家寻找具有以下特征的事件：
  1. 一个轻子： 一个单一的电子或μ子（就像风暴中一个清晰的火花）。
  2. 高喷注多重性： 大量的粒子喷流（即风暴本身）。
  3. 许多“b-喷注”： 许多包含重底夸克的喷流（即金条）。
  4. 无缺失能量： “小偷”没有带走任何不可见的财物。

为了测量这场风暴的大小，他们使用了一个特殊的工具叫做 $M_J$（大型粒子簇质量的总和）。如果新物理学存在，这个数值将会非常高，从而在正常的背景“小丘”之上创造出一座数据“高山”。

方法：“数据驱动型”侦探工作

这项实验最困难的部分在于了解什么是“正常”。背景噪声来自于标准的粒子碰撞（例如顶夸克对），它们可能会意外地看起来像我们要找的信号。

为了不完全依赖（有时在分布的“尾部”可能出错的）计算机模拟，团队使用了一种数据驱动方法：

1. 控制区： 他们观察了已知仅存在背景噪声的数据区域（就像通过观察安静的街道来了解交通噪音）。
2. 校准： 他们测量了这些安静区域中背景的行为，并以此预测在“信号区”（即他们希望发现新物理的繁忙街道）中背景应该呈现的样子。
3. 拟合： 他们将信号区中的实际数据与他们的预测进行了对比。

结果：胶子夸克的沉默

在分析了 138 个单位的数据（收集自 2016 年至 2018 年间的海量碰撞历史）后，科学家们发现：

• 并无惊喜： 数据与背景预测完美吻合。并没有出现代表新物理的“高山”。
• 排除： 由于没有观察到信号，他们可以排除某些可能性。他们得出结论：如果这些特定的胶子夸克确实存在，那么它们的质量必须大于 1,890 GeV（大约是质子的 2,000 倍）。
• 结论： 任何比这个质量更轻的胶子夸克都已被这项搜寻所“排除”（即证明不存在）。

总结

这篇论文是一场在庞大粒子人群中进行的“寻找沃利（Where's Waldo?）”高风险游戏。团队寻找的是一种特定类型的“小偷”（胶子夸克），它会留下大量可见的证据（喷注和底夸克），但不会留下任何不可见的财物。他们检查了数据的每一个角落，利用现实世界的案例对搜索进行了校准，但最终一无所获。因此，他们宣布，如果这些粒子确实存在，它们也太重了，以至于无法被这张特定的网捕捉到。对于这些较轻版本粒子的搜寻目前仍未见成效。

技术摘要

技术摘要：在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下单轻子高喷注多重度事件中的新物理搜索

问题与动机
标准模型（SM）成功描述了基本粒子，但未能解决诸如粒子质量层级和规范耦合统一等理论挑战。超对称（SUSY）提供了潜在的解决方案，然而针对保持 R-parity 的 SUSY 搜索通常依赖于大缺失横动量（$p^{\text{miss}}_T$）特征，而这在 R-parity 破坏（RPV）情景中并不存在。在 RPV 模型中，最轻超对称粒子（LSP）可以衰变为标准模型粒子，从而消除了 $p^{\text{miss}}_T$ 特征，这需要替代的搜索策略。本文针对 RPV SUSY 进行研究，特别关注在最小味破坏框架下，通过 $\lambda''_{323}$ 耦合，由胶子（gluino）衰变为顶夸克（$t$）、底夸克（$b$）和奇异夸克（$s$）的胶子对产生过程。该分析针对具有高喷注多重度、高 $b$-喷注计数和单个轻子的事件，且不要求显著的缺失横动量。

方法论
本分析利用了 CERN LHC 在 2016–2018 年期间由 CMS 探测器收集的质子-质子碰撞数据，对应于质心能量为 13 TeV、积分亮度为 138 fb$^{-1}$。

• 事件选择： 事件选择要求恰好有一个隔离的电子或缪子（$N_{\text{lep}} = 1$），至少四个小半径喷注（$R=0.4$），且喷注横动量标量和（$H_T$）大于 1200 GeV。一个关键判别变量是宽半径喷注质量之和（$M_J$），其定义为使用 $R=1.2$ 聚类得到的喷注质量之和（包括所选轻子）。基准要求为 $M_J > 500$ GeV。
• 分析区域： 搜索是在喷注多重度（$N_{\text{jet}}$）和 $b$-标记喷注数量（$N_b$）的分箱中进行的。信号区域（SRs）定义在高 $N_{\text{jet}}$ 和高 $N_b$ 分箱中（具体为 $N_{\text{jet}} \ge 8$ 且 $N_b \ge 3$），而具有较低多重度的控制区域（CRs）则用于约束背景归一化。
• 背景估计： 主要背景包括顶夸克对产生（$t\bar{t}$）、W+喷注以及 QCD 多喷注事件。采用数据驱动方法，通过对所有分箱中的 $M_J$ 分布进行同步拟合来确定背景归一化。
  • $\kappa$ 因子： 为了修正模拟与数据之间在 $M_J$ 形状上的差异，从独立的控制样本中推导出修正因子（$\kappa_1$ 和 $\kappa_2$），这些因子涵盖了 QCD 多喷注、W+喷注和 $t\bar{t}$。这些因子通过利用低 $N_b$ 区域的大统计量，在全局拟合中受到约束。
  • 归一化： $t\bar{t}$ 和 QCD 多喷注的归一化被视为自由参数，通过控制区域（包括一个经过偏移 $N_{\text{jet}}$ 要求的 $N_{\text{lep}}=0$ 区域）进行约束。W+喷注的归一化通过一个全局参数在所有分箱中进行约束。
• 系统不确定性： 不确定性包括喷注能量标度/分辨率、$b$-标记效率、轻子识别、堆积（pileup）以及理论标度变化。分析特别处理了 $M_J$ 形状对 $N_b$ 的潜在依赖性（例如来自胶子分裂的影响），通过为每个 $N_b$ 分箱分配单独的不确定性来解决。

主要贡献

• 新颖判别变量： 本文证明了宽半径喷注质量之和（$M_J$）作为区分高多重度信号事件与标准模型背景的鲁棒变量的有效性，尤其是在缺乏 $p^{\text{miss}}_T$ 的情况下。
• 数据驱动背景建模： 提出了一种精细的策略，即在每个 $N_b$ 分箱中分别对背景进行归一化。这减轻了与喷注味组成和胶子分裂相关的系统不确定性，这些因素是以往分析中的限制因素。
• 综合拟合框架： 使用跨 $N_{\text{jet}}$、$N_b$ 和 $M_J$ 分箱的同步分箱极大似然拟合，能够同时提取背景归一化和形状修正（$\kappa$ 因子），从而最大限度地利用控制区域来约束信号区域。

结果
信号区域中观测到的事件产额与背景预测一致。在 $M_J$ 分布中未观察到显著的数据相对于背景的超额。

• 排除极限： 基于零结果，在 95% 置信水平（CL）下设定了产额乘以分支比的上限。
• 质量极限： 对于特定的简化模型——胶子对产生（$\tilde{g}\tilde{g} \to tbs \, tbs$），排除了质量低于 1890 GeV 的胶子。这一结果改进了先前的极限，包括来自 ATLAS 实验（1830 GeV）和早期 CMS 结果的极限。

意义
这项工作对在以高喷注和高 $b$-喷注多重度且无缺失横动量为特征的机制下的 R-parity 破坏超对称进行了严格检验。通过排除高达 1890 GeV 的胶子质量，该分析显著限制了最小味破坏 RPV SUSY 模型的参数空间。其方法论，特别是使用 $M_J$ 模板和 $N_b$ 分箱归一化的数据驱动背景估计，为未来在传统缺失能量特征不适用的高多重度末态中进行新物理搜索提供了一个鲁棒的框架。结果与标准模型一致，并代表了目前针对该特定胶子衰变拓扑最灵敏的搜索。