[논문 리뷰] 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)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 13 TeV의 프로톤-프로톤 충돌 데이터 139 fb⁻¹를 사용하여 ATLAS 검출기로 스넬톤과 카린오의 직접 쌍생산을 탐색한다. 질량 분리가 W 보손 질량 근처인 시나리오를 대상으로 하며, 유의미한 초과는 관측되지 않아 특정 질량 분리 영역에서 95% 신뢰수준에서 스넬톤은 150 GeV, 카린오는 140 GeV까지 배제한 결과를 도출하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스넬톤 또는 카린오가 라이트에이스트 슈퍼대칭 입자(LSP)로 붕괴하는 '중간적으로 압축된' 질량 영역에서 약한 규모 초월대칭의 실험 감도를 확장하기 위함.
• 이전 LEP 또는 LHC 탐색으로 배제되지 않은 매개변수 공간을 탐색하며, 특히 (g−2)μ 이상 현상의 설명과 관련된 중요성.
• W 보손 질량 근처의 작은 질량 분리 영역에서 어려운 위상도에서의 감도 향상.
• 데이터 기반 및 기계학습 기법을 활용한 동일-플라버 및 혼합-플라버 레프톤 최종 상태에 대한 전용 분석 전략 적용.

제안 방법

• ATLAS 검출기가 수집한 √s = 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터 139 fb⁻¹를 사용.
• 두 가지 별도의 분석 전략 적용: 동일-플라버 레프톤을 포함하는 스넬톤 쌍생산에 대한 데이터 기반 배경 추정, 그리고 부스팅된 决定트리로 신호 유사 위상도에 학습된 카린오 쌍생산(동일 및 이종 플라버 레프톤 포함)에 대한 분석.
• 이벤트 선택 기준으로는 반대 전하의 두 레프톤, 큰 미해결 횡방향 운동량(EmissT), 낮은 하드론 활성도, b-제트 제거 조건 포함.
• 모든 분석에서 mT2 변수를 핵심 분류 기준으로 사용하며, 신호 감도 추출을 위해 형태 피팅 기법 적용.
• 검출기 효과, 제트 에너지 스케일, 레프톤 재구성에 대한 체계적 불확실성 보정 적용.
• 통계적 가설 검정을 통해 (m(˜ℓ), m(˜χ₀₁)) 및 (m(˜χ±₁), m(˜χ₀₁)) 질량 평면에서 95% 신뢰수준 배제 한계 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량 분리가 W 보손 질량 근처인 '중간적으로 압축된' 질량 영역에서 스넬톤의 직접 쌍생산이 두 개의 레프톤과 LSP로 붕괴되는 것을 관측할 수 있는가?
• RQ2 카린오–LSP 질량 차이가 W 보손 질량에 가까운 경우, 카린오의 직접 쌍생산이 W 보손과 LSP로 붕괴되는 것으로 탐지될 수 있는가?
• RQ3 ATLAS 검출기가 이러한 압축된 SUSY 시나리오에 대해 어떤 감도를 가지며, 이전 탐색을 초월하는가?
• RQ4 데이터 기반 및 기계학습 기법이 위상도가 유사한 신호 및 표준모형 과정의 배경 추정에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 스넬톤 또는 카린오 탐색 채널에서 표준모형 배경을 초월하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 스넬톤의 질량이 LSP와의 질량 분리가 50 GeV일 경우, 95% 신뢰수준에서 최대 150 GeV까지 배제되었다.
• 카린오의 질량이 LSP와의 질량 분리가 약 100 GeV일 경우, 95% 신뢰수준에서 최대 140 GeV까지 배제되었다.
• 특히 압축된 질량 영역에서 이전 ATLAS 및 CMS 탐색보다 배제 감도가 향상되었다.
• 카린오 분석에서 기계학습 기법의 적용으로 작은 질량 분리 영역에서의 감도 향상이 뚜렷했다.
• 스넬톤 채널에서의 데이터 기반 배경 추정이 동일-플라버 레프톤 최종 상태의 불확실성을 효과적으로 제어하였다.