[논문 리뷰] Search for supersymmetry in final states with disappearing tracks in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 97인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CMS 검출기로 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 초대칭을 위한 탐색을 제시하며, 장수 생애를 가진 카르긴오로부터의 사라지는 궤적을 포함한 최종 상태에 초점을 맞춘다. 고도로 발전된 궤적 재구성, dE/dx 측정 및 기계학습 기반 분류 기법을 활용하여, 윈오-유사 및 힉스이노-유사 카르긴오에 대한 감도를 향상시켰으며, 쿼ark 및 글루아인 쌍 생성, 전자기력 히노 생성에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정하였다. 배경에 비해 뚜렷한 초과는 관측되지 않았다.

ABSTRACT

A search is presented for charged, long-lived supersymmetric particles in final states with one or more disappearing tracks. The search is based on data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV collected with the CMS detector at the CERN LHC between 2016 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb$^{-1}$. The search is performed over final states characterized by varying numbers of jets, b-tagged jets, electrons, and muons. The length of signal-candidate tracks in the plane perpendicular to the beam axis is used to characterize the lifetimes of wino- and higgsino-like charginos produced in the context of the minimal supersymmetric standard model. The d$E$/d$x$ energy loss of signal-candidate tracks is used to increase the sensitivity to charginos with a large mass and thus a small Lorentz boost. The observed results are found to be statistically consistent with the background-only hypothesis. Limits on the pair production cross section of gluinos and squarks are presented in the framework of simplified models of supersymmetric particle production and decay, and for electroweakino production based on models of wino and higgsino dark matter. The limits presented are the most stringent to date for scenarios with light third-generation squarks and a wino- or higgsino-like dark matter candidate capable of explaining the known dark matter relic density.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 2016년부터 2018년까지 CMS 검출기로 수집한 137 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여, 사라지는 궤적을 포함한 최종 상태에서 장수 생애를 가진 초대칭 입자, 특히 카르긴오를 탐색한다.
• dE/dx 측정 및 기계학습 기반 궤적 분류를 통합함으로써 윈오-유사 및 힉스이노-유사 카르긴오에 대한 감도를 향상시킨다.
• 전자+DTk 및 뮤온+DTk 채널을 포함한 새로운 최종 상태로 탐색을 확장하여, 렙톤 붕괴 모드를 탐색한다.
• 단순화된 초대칭 입자 생성 모델과 전자기력 히노 어둠 물질 시나리오에 대해 현재까지 가장 엄격한 배제 한계를 설정한다.

제안 방법

• 2016년부터 2018년까지 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기로 수집한 137 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 활용한다.
• 사라지는 궤적을 식별하는 데 있어 효율성과 배경 기각 능력을 향상시키기 위해 기계학습 기반 궤적 분류 알고리즘을 적용한다.
• 특히 고질량에서 낮은 러닝 보정을 가진 카르긴오에 대한 감도 향상을 위해 신호 후보 궤적의 dE/dx 측정을 활용한다.
• 제트, b-태그가 붙은 제트, 전자, 뮤온의 다중도를 기반으로 탐색 영역을 정의하여 강한 상호작용과 전자기력 상호작용 생성 메커니즘 간의 차이를 구분한다.
• 모의 이벤트 샘플을 사용하여 신호 및 표준모형 배경를 모델링하고, 철저한 체계적 불확실성 평가를 수행한다.
• 관측된 데이터와 배경 전용 가설 간의 통계적 검정을 수행하였으며, 새로운 물리 신호가 없음을 확인하였다.

Figure 2: The distributions of simulated events used to train and validate the BDT classifiers. The left (right) column corresponds to the Phase-0 (Phase-1) detector, and the upper (lower) row to the short (long) track category. The uncertainty bars shown for the training samples indicate the Poisso

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사라지는 궤적 서명을 가진 단순화된 초대칭 모델에서 글루아인 및 스쿼크 쌍 생성에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계는 무엇인가?
• RQ2 전자+DTk 및 뮤온+DTk 최종 상태의 포함이 전자기력 히노 매개 시나리오에서 장수 생애를 가진 카르긴오에 대한 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 dE/dx 측정이 낮은 러닝 보정을 가진 고질량 카르긴오에 대한 감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 장수 생애를 가진 카르긴오 붕괴를 기반으로 한 순수 윈오 및 힉스이노 어둠 물질 모델에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ5 가벼운 제3세대 스쿼크와 윈오-또는 힉스이노-유사 LSP를 가진 시나리오에 대해 결과는 어떻게 제약을 가하는가?

주요 결과

• 관측된 데이터는 배경 전용 가설과 통계적으로 일치하며, 새로운 물리 신호를 나타내는 뚜렷한 초과는 관측되지 않았다.
• 이 분석은 가벼운 제3세대 스쿼크와 윈오-또는 힉스이노-유사 어둠 물질 후보를 가진 시나리오에 대해 현재까지 가장 엄격한 배제 한계를 설정하였다.
• 순수 윈오 어둠 물질 모델의 경우, 카르긴오는 질량 650 GeV까지 배제되었다.
• 순수 힉스이노 어둠 물질 모델의 경우, 카르긴오는 질량 210 GeV까지 배제되었다.
• 전자+DTk 및 뮤온+DTk 채널의 포함과 함께 dE/dx 기반 선택 기준은 고질량 및 저보정 카르긴오에 대한 감도를 크게 향상시켰다.
• 기계학습 기반 궤적 분류 기법은 신호 효율성과 배경 기각 능력을 향상시켜 전체 탐색의 감도를 증가시켰다.

Figure 3: Comparison of the \pt distributions of DTks in the $\kappa^{\text{low}}_{\text{high}}$ DY measurement control region for the data and background prediction for long (upper) and short (middle) showering tracks, and in the $\kappa^{\mu\,\text{veto}}_{\mu\,\text{match}}$ DY measurement contro