[논문 리뷰] Search for new phenomena in final states with photons, jets and missing transverse momentum in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

G. Aad, Abbott, Braden Keim외 2938명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHC의 ATLAS 검출기에서 2015–2018년 동안 수집한 139 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로 √s = 13 TeV에서의 양성자–양성자 충돌에서 고운동량 광자, 제트, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 가진 최종 상태를 중심으로 새로운 물리학을 탐색한다. 표준모형과의 뚜렷한 이탈은 관측되지 않았으며, 가시 단면적에 대한 상한은 0.022 fb를 초과하며, 단순화된 게이지 매개 초대칭 모형에서 95% 신뢰수준에서 글루아진의 질량은 최대 2200 GeV까지 배제된다.

ABSTRACT

A search for new phenomena has been performed in final states with at least one isolated high-momentum photon, jets and missing transverse momentum in proton--proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV. The data, collected by the ATLAS experiment at the CERN LHC, correspond to an integrated luminosity of 139 $fb^{-1}$. The experimental results are interpreted in a supersymmetric model in which pair-produced gluinos decay into neutralinos, which in turn decay into a gravitino, at least one photon, and jets. No significant deviations from the predictions of the Standard Model are observed. Upper limits are set on the visible cross section due to physics beyond the Standard Model, and lower limits are set on the masses of the gluinos and neutralinos, all at 95% confidence level. Visible cross sections greater than 0.022 fb are excluded and pair-produced gluinos with masses up to 2200 GeV are excluded for most of the NLSP masses investigated.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자–양성자 충돌에서 고횡방향운동량 광자, 제트, 그리고 큰 부족한 횡방향 운동량을 가진 최종 상태에서 새로운 물리학을 탐색하기 위해.
• 글루아진이 중성미자와 중력보로 붕괴하는 단순화된 게이지 매개 초대칭 붕괴 모형(GGM)을 시험하기 위해.
• 139 fb⁻¹의 대규모 Run-2 데이터셋을 사용하여 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 배제 한계를 설정하기 위해.
• 최적화된 신호 영역과 개선된 물체 재구성 및 배경 추정을 통해 민감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• LHC에서 2015–2018년 동안 ATLAS 검출기로 수집한 139 fb⁻¹의 양성자–양성자 충돌 데이터를 활용한다.
• 최소한 하나의 고립된 고pT 광자, 다수의 제트, 그리고 뚜렷한 부족한 횡방향 운동량(EmissT)을 포함하는 최종 상태를 목표로 하는 이벤트 선택 기준을 적용한다.
• 특정 이론적 가정에 편향되지 않도록 모델 독립적 접근법을 사용하며, 운동량 및 위상적 특징에 중점을 둔다.
• 캘리브레이션 및 해상도 보정을 포함한 고도화된 광자, 제트 및 EmissT 재구성 기술을 적용한다.
• 제어 영역에서 검증된 데이터 기반 방법과 시뮬레이션을 사용하여 표준모형 배경을 추정한다.
• 쌍으로 생성된 글루아진이 중성미자로 붕괴하고, 그 후 중성미자가 중력보, 광자 및 제트로 붕괴하는 단순화된 GGM 모형에서 결과를 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자, 제트, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함하는 최종 상태에서 새로운 물리학의 가시 단면적에 대한 한계는 무엇인가?
• RQ2 중력보가 최종 상태 입자인 중성미자 중간 상태 입자(NLSP)가 광자와 중력보로 붕괴하는 GGM 모형에서 쌍으로 생성된 글루아진과 중성미자의 질량 하한은 무엇인가?
• RQ3 더 큰 데이터셋(139 fb⁻¹)을 포함함으로써 이전의 탐색에 비해 새로운 물리학 탐지 민감도는 어떻게 향상되는가?
• RQ4 중성미자 NLSP가 광자와 중력보로 붕괴하는 특정 초대칭 모형을 배제하는 데 ATLAS 실험의 탐색 범위는 무엇인가?
• RQ5 최적화된 신호 영역과 향상된 배경 추정은 발견 가능성을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 광자, 제트, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함하는 최종 상태에서 새로운 물리학을 탐색하는 데서 표준모형 예측과의 뚜렷한 이탈은 관측되지 않았다.
• 95% 신뢰수준에서 새로운 물리학에 기인한 가시 단면적은 0.022 fb를 초과하는 것으로 배제된다.
• 대부분의 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP) 질량 값에서 2200 GeV 이하의 쌍으로 생성된 글루아진은 배제된다.
• 이전에 더 작은 데이터셋을 사용한 탐색에 비해 글루아진 질량에 대한 배제 한계가 상당히 향상되었다.
• 중성미자 NLSP가 광자와 중력보로 붕괴하는 GGM 모형에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약 조건을 설정하였다.
• 결과는 표준모형과 일치하며, 중력보가 최종 상태 입자인 초대칭 모형에 대해 강력한 제약 조건을 제공한다.