[논문 리뷰] Search for pair production of squarks or gluinos decaying via sleptons or weak bosons in final states with two same-sign or three leptons with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2967명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 127인용 수 3

한 줄 요약

이 ATLAS 검색는 139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여, 스쿼크 또는 글루아이노의 쌍 생성을 분석하며, 렙톤 두 개의 동일 전하 또는 세 개의 렙톤을 포함하는 최종 상태에서 스넬턴 또는 움직임 보손을 통해 붕괴하는 경우를 고려한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, R-대칭 보존 및 R-대칭 위반 초대칭 모델에서 글루아이노 질량은 최대 2.2 TeV, 스쿼크 질량은 최대 1.7 TeV까지 95% 신뢰수준에서 배제된다.

ABSTRACT

A search for pair production of squarks or gluinos decaying via sleptons or weak bosons is reported. The search targets a final state with exactly two leptons with same-sign electric charge or at least three leptons without any charge requirement. The analysed data set corresponds to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ of proton$-$proton collisions collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV with the ATLAS detector at the LHC. Multiple signal regions are defined, targeting several SUSY simplified models yielding the desired final states. A single control region is used to constrain the normalisation of the $WZ$+jets background. No significant excess of events over the Standard Model expectation is observed. The results are interpreted in the context of several supersymmetric models featuring R-parity conservation or R-parity violation, yielding exclusion limits surpassing those from previous searches. In models considering gluino (squark) pair production, gluino (squark) masses up to 2.2 (1.7) TeV are excluded at 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서는 희귀한 두 개의 동일 전하 렙톤 또는 세 개의 렙톤을 포함하는 최종 상태에서 초대칭 입자 쌍 생성을 탐색하는 것 — 이는 표준모형을 넘어서는 물리학에서 가능하다.
• 더 큰 데이터 세트(139 fb⁻¹)를 사용하고 첫 번째 및 두 번째 세대 스쿼크에 맞게 조정된 새로운 신호 영역을 정의하여 이전 검색 대비 민감도를 향상시키는 것.
• 관측된 이벤트 수와 배경 추정을 통해 R-대칭 보존 및 R-대칭 위반 초대칭 모델을 제약하는 것.
• WZ+jets 과정을 위한 전용 제어 영역을 사용하여 배경 예측을 검증함으로써 분석의 신뢰성을 높이는 것.

제안 방법

• 분석은 LHC 런 2 동안 ATLAS 검출기에서 수집한 139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용한다.
• 신호 영역은 정확히 두 개의 동일 전하 렙톤 또는 최소 세 개의 렙톤을 포함하는 최종 상태를 기반으로 정의되며, 제트 및 부족한 횡방향 운동량에 대한 추가 조건이 적용된다.
• 프롬프트 동일 전하 렙톤, 잘못 식별된 전자, 가짜/비프롬프트 렙톤에 대해 데이터 기반 기법을 사용하여 배경 추정을 수행하며, 제어 영역에서 검증된다.
• 주요 WZ+jets 배경의 정규화를 제약하기 위해 단일 제어 영역을 사용하여 배경 모델링 정확도를 향상시킨다.
• 레프톤 재구성, 에너지 스케일, 제트 에너지 해상도 등의 시스템적 불확실성을 신호 및 배경 예측 모두에 평가한다.
• 관측된 이벤트 수를 표준모형 기대값과 비교하기 위해 통계적 프레임워크를 적용하여 다양한 SUSY 벤치마크 모델에 대한 가설 검정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 동일 전하 또는 세 개의 렙톤 최종 상태 기반으로 R-대칭 보존 및 R-대칭 위반 초대칭 모델에서 글루아이노 및 스쿼크 질량의 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 새로운 신호 영역은 이전 검색 대비 민감도를 어떻게 향상시키며, 특히 첫 번째 및 두 번째 세대 스쿼크에 대해 어떤가?
• RQ3 전용 제어 영역을 사용하여 데이터 기반 방법이 주요 WZ+jets 배경을 얼마나 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ4 신호 영역에서 관측된 이벤트 수는 표준모형 기대값과 비교해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 시스템적 불확실성은 단순화된 SUSY 모델의 맥락에서 최종 배제 한계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 어느 하나의 신호 영역에서도 표준모형 배경 기대값을 초월하는 유의미한 이벤트 초과는 관측되지 않았다.
• R-대칭 보존 모델에서는 스넬턴 또는 움직임 보손을 포함하는 특정 붕괴 체인에서 글루아이노 질량이 2.2 TeV까지 95% 신뢰수준에서 배제된다.
• 유사한 R-대칭 보존 시나리오에서 스쿼크 질량은 1.7 TeV까지 95% 신뢰수준에서 배제된다.
• 최적화된 신호 영역과 배경 모델링 덕분에 이전 ATLAS 검색 대비 민감도가 향상되었으며, 특히 첫 번째 및 두 번째 세대 스쿼크 생성에 대해 유의미하다.
• 제어 영역에서 배경 추정이 검증되었으며, 불확실성은 잘 제어되고 데이터와 일치하여 배제 한계의 강건성을 뒷받침한다.
• 이 결과들은 동일 전하 또는 세 렙톤 최종 상태를 포함하는 몇 가지 단순화된 SUSY 모델에 대해 지금까지 가장 엄격한 제약 조건을 제공한다.