[논문 리뷰] 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, Wolfgang외 2358명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 CMS 실험에서 확보한 138 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 τ 렙톤의 초대칭 보어체인인 τ 슬렙톤의 직접 쌍생산을 탐색한다. 이는 두 개의 강입자 붕괴하는 τ 렙톤과 부족한 횡방향 운동량을 포함한 최종 상태를 대상으로 하며, 이는 즉각적인 붕괴와 장수 수명을 가진 τ 슬렙톤 붕괴를 모두 포함한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 즉각적인 붕괴의 경우 τ 슬렙톤 질량 115–340 GeV가, cτ₀ = 0.1 mm 수명의 경우 150–220 GeV가 95% 신뢰수준에서 배제된다.

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.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 τ 슬렙톤의 직접 쌍생산을 탐색하기 위해.
• 즉각적인 붕괴와 장수 수명을 가진 τ 슬렙톤이 τ 렙톤과 안정된 최경량 초대칭 입자(LSP)로 붕괴하는 시나리오를 조사하기 위해.
• τ 슬렙톤 쌍생산을 위한 단순화된 모델에서 횡단면 한계를 설정하기 위해.
• 특히 게이지 매개 초대칭 붕괴(GMSB) 시나리오에서, 장수 수명 스타우 유사 입자에 대한 감도를 향상시키기 위해.
• 이전 LHC 탐색 결과를 초월하여, 이격된 병합 서명을 포함한 τ 슬렙톤 질량에 대한 제약 조건을 강화하기 위해.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 확보한 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 분석한다.
• 두 개의 강입자 붕괴하는 τ 렙톤과 뚜렷한 횡방향 운동량 불균형(E_T^miss)을 가지는 사건을 식별한다.
• 강입자 τ 붕괴의 개선된 식별을 위해 심층 신경망을 사용한다.
• 유한한 수명을 가진 τ 슬렙톤(예: cτ₀ = 0.1 mm에서 2.5 mm까지)을 식별하기 위해 이격된 병합 구조 재구성 기법을 적용한다.
• 즉각적인 붕괴 또는 장수 수명을 가진 τ 슬렙톤을 가진 단순화된 초대칭 모델을 사용하여 신호 및 배경 기여를 모델링한다.
• 95% 신뢰수준에서 τ 슬렙톤 쌍생산 횡단면에 대한 상한을 설정하기 위해 통계적 가설 검정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 즉각적인 붕괴를 가진 단순화된 모델에서 τ 슬렙톤 쌍생산에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 cτ₀ = 0.1 mm인 장수 수명 τ 슬렙톤 붕괴가 ττ + E_T^miss 최종 상태에서 초대칭 신호 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이격된 병합 재구성 기법이 CMS 검출기에서 장수 수명 스타우 유사 입자를 탐지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 이 결과는 특히 GMSB 모델의 맥락에서 이전 LHC 탐색 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 τ 렙톤 식별 효율성과 배경 추정의 정확도가 최종 횡단면 한계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표준모형 배경 이상의 유의미한 초과는 두 개의 강입자 붕괴하는 τ 렙톤과 부족한 횡방향 운동량을 포함하는 최종 상태에서 관측되지 않았다.
• 즉각적인 붕괴의 경우, 거의 질량이 없는 LSP를 가정할 때, 95% 신뢰수준에서 τ 슬렙톤 질량 115 GeV에서 340 GeV까지 배제된다.
• cτ₀ = 0.1 mm인 장수 수명 τ 슬렙톤의 경우, 95% 신뢰수준에서 질량 150 GeV에서 220 GeV까지 배제된다.
• 이격된 병합 구조에 대한 감도 향상에 성공하여, 이 최종 상태에서 재구성된 이격된 τ 후보를 포함한 이러한 서명을 처음으로 관측하였다.
• 이 결과는 즉각적인 붕괴와 장수 수명 붕괴를 모두 고려한 단순화된 모델에서 τ 슬렙톤 쌍생산에 대해 지금까지 가장 엄격한 제약 조건을 제공한다.
• 딥 러닝 기반의 τ 식별 및 이격된 병합 재구성 기법이 장수 수명 초대칭 입자 감지에 감도를 향상시키는 데 효과적임을 입증하였다.