[논문 리뷰] Search for direct production of electroweakinos in final states with one lepton, jets and missing transverse momentum in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2983명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 2015~2018년 동안 수집한 139 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 직접 전약 히노의 생성을 탐색한다. 이는 한 개의 고립된 렙톤, 잡스, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함하는 최종 상태를 대상으로 하며, 주로 초입자 쌍 생성(˜𝜒⁺₁˜𝜒⁻₁)과 함께 초입자-다음으로 가벼운 중성자 쌍 생성(˜𝜒±₁˜𝜒⁰₂)을 고려한다. 이들은 W, Z 또는 힉스 보손을 통해 붕괴된다. 표준모형과의 뚜렷한 이격은 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 배제한계가 설정되었으며, 압축된 질량 영역에서 감도가 최대 40 GeV 향상되었다.

ABSTRACT

Searches for electroweak production of chargino pairs, $ ilde{\chi}^{+}_{1} ilde{\chi}^{-}_{1}$, and of chargino and next-to-lightest neutralino, $ ilde{\chi}^{\pm}_{1} ilde{\chi}^{0}_{2}$, are presented. The models explored assume that the charginos decay into a $W$ boson and the lightest neutralino, $ ilde{\chi}^{\pm}_1 ightarrow W^{\pm} ilde{\chi}^{0}_{1}$. The next-to-lightest neutralinos are degenerate in mass with the chargino and decay to $ ilde{\chi}^{0}_{1}$ and either a $Z$ or a Higgs boson, $ ilde{\chi}^{0}_{2} ightarrow Z ilde{\chi}^{0}_{1}$ or $h ilde{\chi}^{0}_{1}$. The searches exploit the presence of a single isolated lepton and missing transverse momentum from the $W$ boson decay products and the lightest neutralinos, and the presence of jets from hadronically decaying $Z$ or $W$ bosons or from the Higgs boson decaying into a pair of $b$-quarks. The searches use 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}= 13$ TeV proton-proton collisions data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018. No deviations from the Standard Model expectations are found, and 95% confidence level exclusion limits are set. Chargino masses ranging from 260 to 520 GeV are excluded for a massless $ ilde{\chi}^{0}_{1}$ in chargino pair production models. Degenerate chargino and next-to-lightest neutralino masses ranging from 260 to 420 GeV are excluded for a massless $ ilde{\chi}^{0}_{1}$ for $ ilde{\chi}^{0}_{2} ightarrow Z ilde{\chi}^{0}_{1}$. For decays through an on-shell Higgs boson and for mass-splitting between $ ilde{\chi}^{\pm}_{1} / ilde{\chi}^{0}_{2}$ and $ ilde{\chi}^{0}_{1}$ as small as the Higgs boson mass, mass limits are improved by up to 40 GeV in the range of 200-260 GeV and 280-470 GeV compared to previous ATLAS constraints.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 전약 히노의 직접 생성을 탐색하며, 주로 윈오-유사 초입자 및 다음으로 가벼운 중성자 상태를 중심으로 한다.
• 초입자가 W 보손과 가장 가벼운 중성자(˜𝜒⁰₁)로 붕괴되고, 다음으로 가벼운 중성자가 Z 또는 힉스 보손으로 붕괴되는 단순화된 모델을 탐색한다.
• 초입자/중성자와 LSP 사이의 질량 분할이 작은 압축된 질량 영역에서 감도를 향상시키기 위해 잡스의 서브구조 및 부스트된 决정 트리(BDT) 기법을 사용한다.
• 특히 온체어 힉스 보손 붕괴가 발생하는 경우에 초점이 맞춰진, 초입자 및 다음으로 가벼운 중성자 질량에 대한 새로운 95% 신뢰수준 배제한계를 설정한다.

제안 방법

• 분석은 2015~2018년 동안 ATLAS 검출기가 수집한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 큰 R 반경의 잡스에서 W, Z 또는 힉스 보손의 강입성 붕괴를 식별하기 위해 잡스의 서브구조 기법을 적용한다. 특히 부스트된 상태에서 유용하다.
• 압축된 위상공간에서 감도를 향상시키기 위해 부스트된 결정 트리(BDT) 판별 기법을 사용하며, 특히 힉스 보손이 b-쿼크 쌍으로 붕괴하는 경우(h → bb̄)에 효과적이다.
• 분석은 정확히 한 개의 고립된 렙톤(e 또는 μ), 부족한 횡방향 운동량(pTmiss), 그리고 W, Z 또는 힉스 보손 붕괴에 부합하는 잡스를 포함하는 최종 상태를 대상으로 한다.
• 단순화된 모델 프레임워크에서는 ˜𝜒±₁ → W˜𝜒⁰₁ 및 ˜𝜒⁰₂ → Z˜𝜒⁰₁ 또는 h˜𝜒⁰₁의 붕괴가 100% 분포율을 가진다고 가정하며, 게이지 및 힉스 보손의 붕괴 방식은 표준모형 유사하다.
• 표준모형 과정에 기인하는 배경는 데이터 기반 방법과 시뮬레이션을 통해 추정되며, 비공명성 기여를 억제하기 위해 엄격한 선택 기준이 적용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초입자 쌍 생성(˜𝜒⁺₁˜𝜒⁻₁) 모델에서, 가장 가벼운 중성자(˜𝜒⁰₁)가 질량이 0인 경우, 초입자 질량에 대한 95% 신뢰수준 배제한계는 무엇인가?
• RQ2 다음으로 가벼운 중성자가 Z 보손을 통해 붕괴되는 경우, 초입자-다음으로 가벼운 중성자 연쇄 생성(˜𝜒±₁˜𝜒⁰₂)에 대한 제약 조건은 어떻게 향상되는가?
• RQ3 다음으로 가벼운 중성자가 온체어 힉스 보손으로 붕괴되는 경우, 특히 작은 질량 분할이 존재할 때, 압축된 질량 영역에서 감도 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 잡스의 서브구조 및 부스트된 결정 트리 기법의 사용이 전통적인 컷-앤드-카운트 방법 대비 신호 감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 이 새로운 배제한계는 동일한 최종 상태에서 이전의 ATLAS 및 LHC 탐색 결과와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 가장 가벼운 중성자(˜𝜒⁰₁)가 질량이 0인 경우, ˜𝜒⁺₁˜𝜒⁻₁ 쌍 생성 모델에서 260 GeV에서 520 GeV 사이의 초입자 질량 범위가 95% 신뢰수준에서 배제된다.
• ˜𝜒⁰₂ → Z˜𝜒⁰₁인 ˜𝜒±₁˜𝜒⁰₂ 연쇄 생성 모델에서, 초입자와 다음으로 가벼운 중성자의 질량이 260 GeV에서 420 GeV 사이로 동일한 경우, 질량이 0인 ˜𝜒⁰₁에 대해 배제된다.
• 온체어 힉스 보손 붕괴(h → bb̄)가 발생하는 ˜𝜒±₁˜𝜒⁰₂ → Wh 최종 상태에서, 이전 ATLAS 제약 조건 대비 200–260 GeV 및 280–470 GeV 범위에서 최대 40 GeV 향상된 질량 한계가 확보되었다.
• 부스트된 결정 트리 및 잡스 서브구조 기법의 사용은 전통적 방법이 높은 배경으로 어려움을 겪는 압축 영역에서 감도를 크게 향상시켰다.
• 표준모형 예측과의 뚜렷한 이격은 관측되지 않았으며, 모든 관측된 신호 영역은 배경 예측과 일치한다.