[論文レビュー] Search for long-lived, massive particles in events with displaced vertices and multiple jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

G. Aad, Aad, Georges+2973 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、R-奇性破れ超対称性からの長寿命電弱ノキンを最初に探すATLAS検索を提示する。139 fb⁻¹ のデータを用い、専用のずれた頂点再構成を採用することで、1.5 TeV 未満の質量を持つ対生成電弱ノキンについて 95% 確信区間の上限を設定し、0.03〜1 ns の寿命の範囲で除外し、2.4 TeV のグルーギノ崩壊から生成される 1.5 TeV の中性ノキンについても 0.02〜4 ns の寿命の範囲で除外した。

ABSTRACT

A search for long-lived particles decaying into hadrons is presented. The analysis uses 139 fb$^{-1}$ of $pp$ collision data collected at $\sqrt{s} = 13$ TeV by the ATLAS detector at the LHC using events that contain multiple energetic jets and a displaced vertex. The search employs dedicated reconstruction techniques that significantly increase the sensitivity to long-lived particles decaying in the ATLAS inner detector. Background estimates for Standard Model processes and instrumental effects are extracted from data. The observed event yields are compatible with those expected from background processes. The results are used to set limits at 95% confidence level on model-independent cross sections for processes beyond the Standard Model, and on scenarios with pair-production of supersymmetric particles with long-lived electroweakinos that decay via a small $R$-parity-violating coupling. The pair-production of electroweakinos with masses below 1.5 TeV is excluded for mean proper lifetimes in the range from 0.03 ns to 1 ns. When produced in the decay of $m( ilde{g})=2.4$ TeV gluinos, electroweakinos with $m( ildeχ^0_1)=1.5$ TeV are excluded with lifetimes in the range of 0.02 ns to 4 ns.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、ハドロンに崩壊する長寿命で高質量の粒子を探索すること。
• 主な頂点から著しく離れて崩壊する長寿命粒子を検出する課題に取り組むこと。このような粒子は標準的な再構成手法では検出されない。
• 長寿命粒子崩壊に起因するずれた頂点を高感度で特定するための新規再構成アルゴリズムを開発・適用すること。
• データ駆動型のバックグラウンド推定を用いて、モデルに依存しないおよび超対称性固有の除外限界を設定すること。
• R-奇性破れSUSYのシナリオ、特に長寿命電弱ノキンを含むLHC探索の範囲を拡大すること。

提案手法

• ATLAS検出器を用いて取得した √s = 13 TeV の pp 衝突データ 139 fb⁻¹ を使用する。
• 長寿命粒子崩壊に起因するずれた頂点を内側検出器で特定するように最適化された、専用のトラックおよび頂点再構成アルゴリズムを採用する。
• 複数のエネルギーの高いジェットとずれた頂点を持つイベントを選別するための信号領域基準を適用する。ジェット-頂点関連付けを要件としないことで、多様な崩壊トポロジーへの感度を保持する。
• 制御領域を用いて、シミュレーションへの依存を最小限に抑えるために、完全にデータから標準模型バックグラウンドのyieldを推定する。
• 結果の解釈に、モデルに依存しない断面積上限と、具体的なベンチマークシナリオ（EWK RPV および Strong RPV）を用いる。
• R-奇性破れSUSYモデルの制限に、95% 確信区間の上限を適用し、小さい 𝜆′′ 耦合を有するモデルを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS検出器は、13 TeV の pp 衝突において、ハドロンに崩壊する長寿命粒子（ずれた頂点を伴う）に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ2 内トレッカー内での長寿命粒子崩壊に起因するずれた頂点を特定するための専用再構成技術は、どの程度効果的か？
• RQ3 ずれた頂点シグネチャの主なバックグラウンド源は何か。それらはどのようにデータから正確に推定できるか？
• RQ4 長寿命電弱ノキンを伴うR-奇性破れ超対称性モデルに対する除外限界は何か？
• RQ5 この解析は、これまでの結果と比較して、長寿命粒子探索のLHCの探査範囲をどの程度拡大するか？

主な発見

• 標準模型バックグラウンドを超える顕著な過剰は観測されず、観測yieldは予想されるバックグラウンドと整合的であった。
• 0.03 ns から 1 ns の平均固有寿命を有する 1.5 TeV 未満の質量の対生成電弱ノキンは、95% 確信区間で除外された。
• 2.4 TeV のグルーギノ崩壊から生成される 1.5 TeV の電弱ノキンは、0.02 ns から 4 ns の寿命の範囲で 95% 確信区間で除外された。
• ハドロンに崩壊する長寿命粒子の生成断面積について、モデルに依存しない上限が設定された。
• データ駆動型バックグラウンド推定法は、システムティック不確かさを効果的に制御し、限界の信頼性を向上させた。
• 本研究は、R-奇性破れSUSYモデルにおける長寿命電弱ノキンが 𝜆′′ 耦合を介して崩壊する場合に、ATLASが初めて感度を示した検索である。