[논문 리뷰] 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, Georges외 2973명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 R-대칭성 위반 초대칭의 장수 전하 전이자( electroweakinos)를 위한 ATLAS 검색의 첫 번째 결과를 제시한다. 139 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 전용 이격된 병합점 재구성 기법을 적용함으로써, 1.5 TeV 이하의 질량을 가진 쌍으로 생성된 전하 전이자에 대해 95% 신뢰수준에서 배제한 바 있으며, 수명이 0.03에서 1 ns 사이인 경우를 대상으로 하였다. 또한, 2.4 TeV의 글루아인에서 붕괴하는 1.5 TeV의 중성전이자에 대해서도 수명이 0.02–4 ns 사이인 경우에 대해 배제하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 이격된 병합점이 있는 하드론으로 붕괴하는 장수 및 고질량 입자를 검색하기 위해.
• 기본 재구성 기법에서 벗어나 주로 병합점 외부에서 붕괴하는 장수 입자를 탐지하는 데 도전하는 문제를 다루기 위해.
• 장수 입자 붕괴에서 발생하는 이격된 병합점에 대한 감도를 향상시키기 위해 새로운 재구성 알고리즘을 개발하고 적용하기 위해.
• 모델 독립적 및 초대칭 특화 배제 한계를 데이터 기반 배경 추정을 통해 설정하기 위해.
• R-대칭성 위반 초대칭 시나리오에서 장수 전하 전이자를 포함한 전하 전이자에 대한 LHC 검색의 범위를 확장하기 위해.

제안 방법

• ATLAS 검출기에서 √s = 13 TeV에서 수집한 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 내부 검출기에서 장수 입자 붕괴로 인한 이격된 병합점을 식별하기 위해 최적화된 전용 트랙 및 병합점 재구성 알고리즘을 적용한다.
• 다수의 고에너지 제트와 이격된 병합점을 포함하는 사건을 선택하기 위해 신호 영역 기준을 적용하며, 제트-병합점 연관성을 요구하지 않아 다양한 붕괴 위상도 감도를 유지한다.
• 통제 영역을 활용하여 표준 모형 배경 수확량을 완전히 데이터에서 추정함으로써 시뮬레이션에 대한 의존도를 최소화한다.
• 결과를 해석하기 위해 모델 독립적 단면적 한계와 특정 벤치마크 시나리오(EWK RPV 및 Strong RPV)를 사용한다.
• R-대칭성 위반 초대칭 모델에서 작은 𝜆′′ 결합을 가진 경우를 제약하기 위해 95% 신뢰수준 한계를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV의 pp 충돌에서 이격된 병합점이 있는 하드론으로 붕괴하는 장수 입자에 대해 ATLAS 검출기가 어떤 감도를 가지는가?
• RQ2 내부 트래커에서 장수 입자로부터 발생하는 이격된 병합점을 식별하는 데 전용 재구성 기법이 얼마나 효과적인가?
• RQ3 이격된 병합점 서명의 주요 배경 원인은 무엇이며, 이를 어떻게 데이터에서 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ4 장수 전하 전이자를 포함한 R-대칭성 위반 초대칭 모델에 대해 어떤 배제 한계가 설정되는가?
• RQ5 이 분석은 이전 결과에 비해 LHC의 장수 입자 검색 범위를 어느 정도로 확장하는가?

주요 결과

• 관측된 수확량은 기대 배경과 일치하며, 표준 모형 배경을 초월하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 0.03 ns에서 1 ns 사이의 평균 고유 수명을 가진 1.5 TeV 이하의 질량을 가진 쌍으로 생성된 전하 전이자는 95% 신뢰수준에서 배제되었다.
• 2.4 TeV의 글루아인이 붕괴하여 생성되는 1.5 TeV의 전하 전이자는 수명이 0.02 ns에서 4 ns 사이인 경우에 대해 95% 신뢰수준에서 배제되었다.
• 이 분석은 하드론으로 붕괴하는 장수 입자의 생성 단면적에 대해 모델 독립적 상한선을 설정하였다.
• 데이터 기반 배경 추정 방법은 체계적 불확실성을 효과적으로 제어하였으며, 한계의 신뢰도를 향상시켰다.
• 이 연구는 R-대칭성 위반 초대칭 모델에서 𝜆′′ 결합을 통해 붕괴하는 장수 전하 전이자를 탐지할 수 있는 감도를 보여주는 ATLAS의 첫 번째 검색 결과이다.