[논문 리뷰] Search for heavy, long-lived, charged particles with large ionisation energy loss in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13~ ext{TeV}$ using the ATLAS experiment and the full Run 2 dataset

Aad, G., Abbott, B.외 2854명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 검출기에서 고이온화 에너지 손실(dE/dx) 측정을 활용하여, 수명이 약 ~1 ns까지 가능한 무거운 장수된 전하를 띤 입자를 위한 탐색을 제시한다. 분석은 R-하드론의 경우 최대 2.27 TeV, 카린오의 경우 최대 1.07 TeV까지의 가장 엄격한 질량 한계를 설정하였으며, 광범위한 수명 범위에서 이전의 제약 조건을 크게 초월한다. 이는 초대칭 및 기타 블랙스페이스 모델에서의 제약을 크게 강화한다.

ABSTRACT

This paper presents a search for hypothetical massive, charged, long-lived particles with the ATLAS detector at the LHC using an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV. These particles are expected to move significantly slower than the speed of light and should be identifiable by their high transverse momenta and anomalously large specific ionisation losses, ${\mathrm{d}}E/\mathrm{d}x$. Trajectories reconstructed solely by the inner tracking system and a ${\mathrm{d}}E/\mathrm{d}x$ measurement in the pixel detector layers provide sensitivity to particles with lifetimes down to ${\cal O}(1)$ $ ext{ns}$ with a mass, measured using the Bethe--Bloch relation, ranging from 100 GeV to 3 TeV. Interpretations for pair-production of $R$-hadrons, charginos and staus in scenarios of supersymmetry compatible with these particles being long-lived are presented, with mass limits extending considerably beyond those from previous searches in broad ranges of lifetime.

연구 동기 및 목표

• 검출기 내에서 상당한 거리를 이동한 후 붕괴하는 중량이 크고 장수된 전하 입자(LLP)를 찾기 위해, 이들이 기록하는 비정상적으로 높은 이온화 에너지 손실(dE/dx)을 이용한다.
• 내부 픽셀 트래커에서의 고정밀 dE/dx 측정을 활용하여 이전 ATLAS 탐색을 초월해 LLP에 대한 감도를 향상시킨다.
• 장수 수명을 가진 초대칭 모델에서 R-하드론, 카린오, 스토를 위한 제약 조건을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 의존도를 줄이기 위해 데이터 기반 dE/dx 반응 템플릿을 사용하고, 최적화된 신호 영역 정의를 통해 배경 모델링을 향상시킨다.

제안 방법

• 분석은 ATLAS 검출기가 수집한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 내부 픽셀 검출기 층에서 측정된 비정상적으로 큰 dE/dx를 가진 고수평 운동량 궤적을 통해 후보 LLP를 식별한다.
• 시뮬레이션 대신 데이터 기반 dE/dx 반응 템플릿을 사용하여 검출기 반응을 모델링함으로써 배경 추정을 향상시킨다.
• 더 높은 dE/dx 임계값을 적용하고, IBL 오버플로우 플래그가 설정된 궤적을 별도로 처리하여 시스템적 불확실성을 감소시킨다.
• 감도를 향상시키기 위해 운동량과 dE/dx에 따라 신호 영역을 하위 영역으로 분할한다.
• 시스템적 불확실성은 고운동량 검증 영역과 가짜 신호 영역을 사용하여 배경 모델링을 테스트함으로써 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 실험은 픽셀 검출기에서의 dE/dx 측정을 통해 약 ~1 ns 수준의 수명을 가진 무거운 장수된 전하 입자에 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ2 새로운 dE/dx 기반 선택 기법은 이전 ATLAS LLP 탐색에 비해 배제 한계를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 장수 수명을 가진 초대칭 모델에서 R-하드론, 카린오, 스토에 대해 가장 엄격한 질량 한계는 무엇인가?
• RQ4 데이터 기반 dE/dx 템플릿 사용이 배경 추정 및 배제 한계의 강건성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고dE/dx 및 고질량 영역에서 관측된 초과 현상의 의미는 무엇이며, 이는 표준모형 기대치와 일치하는가?

주요 결과

• 1.4 TeV 목표 질량 가설을 최적화한 하위 영역에서 3.6σ 局부(3.3σ 전역)의 초과가 관측되었지만, 새로운 물리학의 증거는 발견되지 않았다.
• 관측된 사건 수와 분포는 고dE/dx 및 고질량 초과를 제외한 모든 영역에서 표준모형 배경 기대치와 일치한다.
• LLP의 수명이 10–30 ns일 때 감도가 최고조에 도달하며, 이 범위에서 고dE/dx 궤적을 식별하는 데 가장 효과적이다.
• 중성미온 질량이 100 GeV이고 수명이 20 ns인 R-하드론의 경우 95% 신뢰수준에서 질량 한계 2.27 TeV가 배제된다.
• 질량 분리가 30 GeV이고 수명이 30 ns인 압축 R-하드론의 경우 95% 신뢰수준에서 질량 한계 2.06 TeV가 설정된다.
• 질량-수명 평면에서 가장 엄격한 제약 조건이 설정되었으며, 수명이 30 ns인 카린오의 경우 1.07 TeV 이하의 질량가 배제되었고, 수명이 10 ns인 스토의 경우 220–360 GeV 이하의 질량가 배제되었다.