[論文レビュー] Search for direct pair production of supersymmetric partners of $ au$ leptons in the final state with two hadronically decaying $ au$ leptons and missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2358 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、CMS実験が収集した138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、τ軽レプトンの超対称的パートナーたるτ sleptonの直接対生成を探索する。最終状態は2つのハドロン的崩壊するτレプトンと運動量の不均衡（E_T^miss）を含み、即時崩壊および長寿命τ sleptonの両方の崩壊をターゲットとする。有意な過剰は観測されず、即時崩壊の場合はτ slepton質量が115–340 GeV、cτ₀ = 0.1 mmの寿命の場合は150–220 GeVが95%信頼水準で除外される。

ABSTRACT

A search for the direct production of a pair of $ au$ sleptons, the supersymmetric partners of $ au$ leptons, is presented. Each $ au$ slepton is assumed to decay to a $ au$ lepton and the lightest supersymmetric particle (LSP), which is assumed to be stable and to not interact in the detector, leading to an imbalance in the total reconstructed transverse momentum. The search is carried out in events identified as containing two $ au$ leptons, each decaying to one or more hadrons and a neutrino, and significant transverse momentum imbalance. In addition to scenarios in which the $ au$ sleptons decay promptly, the search also addresses scenarios in which the $ au$ sleptons have sufficiently long lifetimes to give rise to nonprompt $ au$ leptons. The data were collected in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV at the CERN LHC with the CMS detector in 2016-2018, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. No significant excess is seen with respect to standard model expectations. Upper limits on cross sections for the pair production of $ au$ sleptons are obtained in the framework of simplified models. In a scenario in which the $ au$ sleptons are superpartners of left-handed $ au$ leptons, and each undergoes a prompt decay to a $ au$ lepton and a nearly massless LSP, $ au$ slepton masses between 115 and 340 GeV are excluded. In a scenario in which the lifetime of the $ au$ sleptons corresponds to $c au_0$ = 0.1 mm, where $ au_{0}$ represents the mean proper lifetime of the $ au$ slepton, masses between 150 and 220 GeV are excluded.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突でのτ sleptonの直接対生成を探索すること。
• τレプトンと安定な最小超対称的粒子（LSP）に崩壊する即時および長寿命τ sleptonを含む状況を調べること。
• τ slepton対生成の簡略化モデルにおける断面積の上限を設定すること。
• 特にゲージ媒導型SUSY破れ（GMSB）のシナリオにおいて、長寿命ステウのシグナルへの感度を拡張すること。
• 過去のLHC探索を上回る、τ slepton質量の制約を強化し、ずれた頂点のシグネチャーを含むこと。

提案手法

• 2016–2018年の間、√s = 13 TeVでCMS検出器が収集した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを分析する。
• 2つのハドロン的崩壊するτレプトンと顕著な横方向運動量不均衡（E_T^miss）を持つイベントを特定する。
• 深層ニューラルネットワークを用いて、ハドロン的τ崩壊の識別を向上させる。
• 有限な寿命を持つτ slepton（cτ₀ = 0.1 mm から 2.5 mm）を同定するため、ずれた頂点再構成技術を適用する。
• 即時または長寿命τ sleptonを仮定した簡略化されたSUSYモデルを用いて、信号およびバックグラウンドの寄与をモデル化する。
• 95%信頼水準でのτ slepton対生成断面積の上限を設定するために、統計的仮説検定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおける即時崩壊を伴う簡略化モデルでのτ slepton対生成の除外限界は何か？
• RQ2 cτ₀ = 0.1 mmの長寿命τ slepton崩壊が、ττ + E_T^miss最終状態における超対称的シグナルの感度にどのように影響するか？
• RQ3 ずれた頂点再構成技術が、CMS検出器内での長寿命ステウに類似した粒子の検出をどの程度向上できるか？
• RQ4 GMSBモデルの文脈において、本結果は過去のLHC探索とどのように比較できるか？
• RQ5 τレプトン識別効率とバックグラウンド推定の精度が、最終的な断面積上限に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 標準模型のバックグラウンドを超える有意な過剰は、2つのハドロン的崩壊するτレプトンと運動量不均衡（E_T^miss）を伴う最終状態で観測されなかった。
• 即時崩壊の場合は、LSPがほぼ質量ゼロであると仮定した場合、95%信頼水準でτ slepton質量が115 GeVから340 GeVの範囲が除外される。
• cτ₀ = 0.1 mmの長寿命τ sleptonの場合は、95%信頼水準で150 GeVから220 GeVの質量範囲が除外される。
• ずれた頂点への感度が向上し、本研究では再構成されたずれたτ候補を含むこの最終状態で、このようなシグネチャーの観測が初めて達成された。
• 即時および長寿命崩壊を含む両方のシナリオにおいて、τ slepton対生成の簡略化モデルに対する、これまでで最も厳しい制約が得られた。
• 深層学習に基づくτ識別とずれた頂点再構成の有効性が、長寿命超対称的粒子の検出感度を向上させることを示した。