[論文レビュー] Search for direct pair production of sleptons and charginos decaying to two leptons and neutralinos with mass splittings near the $W$-boson mass in $\sqrt{s}=13\$TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、LHCにおける13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹を用い、ATLAS検出器を用いて、Wボソン質量に近い質量差を示す場合のスレプトンおよびチアリンコの直接対生成を探索した。有意な過剰は観測されず、特定の質量差領域において95%信頼水準でスレプトンは150 GeV、チアリンコは140 GeVまでの遮断限界が得られた。

ABSTRACT

A search for the electroweak production of pairs of charged sleptons or charginos decaying into two-lepton final states with missing transverse momentum is presented. Two simplified models of $R$-parity-conserving supersymmetry are considered: direct pair-production of sleptons ($ ilde{\ell} ilde{\ell}$), with each decaying into a charged lepton and a $ ilde{\chi}_1^0$ neutralino, and direct pair-production of the lightest charginos $( ilde{\chi}_1^\pm ilde{\chi}_1^\mp)$, with each decaying into a $W$-boson and a $ ilde{\chi}_1^0$. The lightest neutralino ($ ilde{\chi}_1^0$) is assumed to be the lightest supersymmetric particle (LSP). The analyses target the experimentally challenging mass regions where $m( ilde{\ell})-m( ilde{\chi}_1^0)$ and $m( ilde{\chi}_1^\pm)-m( ilde{\chi}_1^0)$ are close to the $W$-boson mass (`moderately compressed' regions). The search uses 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$ TeV proton-proton collisions recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. No significant excesses over the expected background are observed. Exclusion limits on the simplified models under study are reported in the ($ ilde{\ell}, ilde{\chi}_1^0$) and ($ ilde{\chi}_1^\pm, ilde{\chi}_1^0$) mass planes at 95% confidence level (CL). Sleptons with masses up to 150 GeV are excluded at 95% CL for the case of a mass-splitting between sleptons and the LSP of 50 GeV. Chargino masses up to 140 GeV are excluded at 95% CL for the case of a mass-splitting between the chargino and the LSP down to about 100 GeV.

研究の動機と目的

• スレプトンまたはチアリンコがレプトンと軽い supersymmetric 粒子（LSP）に崩壊する『中程度に圧縮された』質量領域における弱尺度 supersymmetry の実験的感度を拡張すること。
• 過去のLEPやLHC探索では除外されていなかったパラメータ領域を調査し、特に (g−2)μ 異常を説明するのに関連するものである。
• Wボソン質量に近い小さな質量差を示す困難なトポロジーにおける検出感度を向上させること。
• データ駆動型および機械学習技術を用いた同一フレーバーおよび混合フレーバーのレプトン最終状態に対する専用の解析戦略を適用すること。

提案手法

• ATLAS検出器が収集した、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹ を使用する。
• 2つの異なる解析戦略を適用：スレプトン対生成（同一フレーバーのレプトン）に対してはデータ駆動型バックグラウンド推定を、チアリンコ対生成（同一および異なるフレーバーのレプトン）に対しては信号に類似したトポロジーでトレーニングされたブースト化された意思決定ツリーを用いる。
• 2つの電荷が反対のレプトン、大きな欠落運動量（EmissT）、低レベルのハドロン的活動、およびbジャット遮断を含むイベント選別基準を適用する。
• 両解析において、mT2 変数を主要な識別子として用い、形状フィッティング技術を用いて信号感度を抽出する。
• 検出器効果、ジャットエネルギースケール、レプトン再構築に関する系統的不確実性補正を適用する。
• 95%信頼水準での遮断限界を設定するために、統計的仮説検定を実施し、(m(˜ℓ), m(˜χ₀₁)) および (m(˜χ±₁), m(˜χ₀₁)) の質量平面で評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量差がWボソン質量に近い『中程度に圧縮された』質量領域において、スレプトンの直接対生成が、2つのレプトンとLSPに崩壊する場合に観測可能か？
• RQ2 チアリンコがWボソンとLSPに崩壊する場合、チアリンコ-LSP間の質量差がWボソン質量に近い場合に、その直接対生成が検出可能か？
• RQ3 ATLAS検出器は、このような圧縮されたSUSY状況に対してどの程度の感度を示すか？ また、過去の探索をどのように超えるか？
• RQ4 データ駆動型および機械学習技術は、信号と標準模型プロセスとでトポロジーが類似する状況におけるバックグラウンド推定にどの程度効果的か？

主な発見

• スレプトンおよびチアリンコ探索チャンネルの両方において、標準模型バックグラウンドを上回る有意な過剰は観測されなかった。
• スレプトンの質量がLSPとの間で50 GeVの質量差を示す場合、95%信頼水準で150 GeVまでの遮断が得られた。
• チアリンコの質量がLSPとの間で約100 GeVの質量差を示す場合、95%信頼水準で140 GeVまでの遮断が得られた。
• 特に圧縮された質量領域において、同様の最終状態での過去のATLASおよびCMS探索を上回る遮断領域の拡張が達成された。
• チアリンコ解析における機械学習の適用により、小さな質量差を示す困難なトポロジーにおける感度が向上した。
• スレプトンチャンネルにおけるデータ駆動型バックグラウンド推定は、同一フレーバーのレプトン最終状態における不確実性を効果的に制御した。