[논문 리뷰] Searches for new phenomena in events with two leptons, jets, and missing transverse momentum in 139 fb$^{-1}$ of $ \sqrt{s}=13$ TeV $ pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 확보한 139 fb⁻¹의 13 TeV 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색한다. 주로 두 개의 같은 쿼르크-형 반입자, 잔여 운동량, 그리고 잔여 운동량을 포함한 최종 상태에 초점을 맞추며, 순차적-조각맞춤 재구성, 전자기 및 강한 상호작용 생성 탐색 기법을 사용하여, 전자기형 히가시노에 대해 최대 900 GeV, 쿼크 수반 입자에 대해 1550 GeV, 글루아노에 대해 2250 GeV까지의 새로운 배제 한계를 설정하였다. 이는 이전 결과보다 각각 200–400 GeV 향상된 결과이다.

ABSTRACT

Searches for new phenomena inspired by supersymmetry in final states containing an $e^+e^-$ or $μ^+μ^-$ pair, jets, and missing transverse momentum are presented. These searches make use of proton-proton collision data with an integrated luminosity of 139 $ ext{fb}^{-1}$, collected during 2015-2018 at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13 $TeV by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Two searches target the pair production of charginos and neutralinos. One uses the recursive-jigsaw reconstruction technique to follow up on excesses observed in 36.1 $ ext{fb}^{-1}$ of data, and the other uses conventional event variables. The third search targets pair production of coloured supersymmetric particles (squarks or gluinos) decaying through the next-to-lightest neutralino $( ildeχ_2^0)$ via a slepton $( ilde\ell)$ or $Z$ boson into $\ell^+\ell^- ildeχ_1^0$, resulting in a kinematic endpoint or peak in the dilepton invariant mass spectrum. The data are found to be consistent with the Standard Model expectations. Results are interpreted using simplified models and exclude masses up to 900 GeV for electroweakinos, 1550 GeV for squarks, and 2250 GeV for gluinos.

연구 동기 및 목표

• 139 fb⁻¹의 13 TeV 양성자-양성자 충돌 데이터에서 두 개의 같은 쿼르크-형 반입자, 잔여 운동량, 그리고 잔여 운동량을 포함한 최종 상태에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 특히 카이아르기노, 중성미노, 쿼크 수반 입자, 글루아노를 포함한 전자기 및 강한 상호작용 생성을 포함하는 초대칭 모델을 테스트하기 위해.
• 더 큰 데이터 세트와 최적화된 분석 기법을 활용하여 초대칭의 단순화된 모델에 대한 감도를 향상시키기 위해.
• 이전 36 fb⁻¹ 데이터에서 관측된 소규모 초과 현상이 특히 2-레프톤 최종 상태에서 지속되는지 조사하기 위해.
• 히가시노가 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)인 게이지 매개 초대칭 붕괴 모델에 대한 감도를 더 높은 질량과 분해비율까지 확장하기 위해.

제안 방법

• 이전에 관측된 초과 현상에 특히 초점을 맞추기 위해, 전자기형 초대칭 생성에 대한 감도를 향상시키기 위해 순차적-조각맞춤 재구성(RJR) 기법을 사용한다.
• 기존의 이벤트 변수와 최적화된 선택 기준을 활용하여 전자기 및 강한 초대칭 탐색을 수행하며, 감도 향상을 위해 운동량 이분화 기법을 적용한다.
• 단일 밴드 신호 영역에서 모델에 의존하지 않는 상한선을 설정하고, 단순화된 초대칭 모델에서 모델에 따라 프로파일 리스크 함수 피팅을 수행한다.
• 모든 구성 요소에 대해 체계적 불확실성을 평가하면서 배경를 데이터 기반 기법과 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 추정한다.
• 이중 레프톤의 진동 질량 스펙트럼을 사용하여, 다음으로 가벼운 중성미노(˜𝜒₀₂)가 ℓ⁺ℓ⁻˜𝜒₀₁로 붕괴할 때의 운동량 끝점 또는 피크를 식별한다.
• RJR, 전자기, 강한 생성에 대한 세 가지 별도의 탐색 채널에 대해 배경 추정을 수행하며, 전용 제어 영역과 검증 기법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전 36.1 fb⁻¹ 데이터에서 관측된 2-레프톤 최종 상태의 소규모 초과 현상이 전체 139 fb⁻¹ 데이터 세트에서도 지속되는가?
• RQ2 더 큰 데이터 세트와 분석 선택 최적화 후 전자기 및 강한 초대칭 생성에 대한 개선된 배제 한계는 무엇인가?
• RQ3 히가시노 NLSP를 포함한 게이지 매개 초대칭 붕괴 모델에 대한 감도를 더 높은 질량과 분해비율까지 확장할 수 있는가?
• RQ4 이 새로운 한계는 이전 ATLAS 탐색 결과와 비교해 볼 때, 글루아노 및 쿼크 수반 입자의 질량 영역에 대해 어떻게 다른가?
• RQ5 순차적-조각맞춤 재구성 및 최적화된 선택 기준은 이전 분석에 비해 감도 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 데이터는 표준모형 예측과 일치하며, 순차적-조각맞춤 재구성 탐색에서 특별한 초과 현상이 관측되지 않아 이전 36.1 fb⁻¹ 데이터에서 관측된 소규모 초과 현상이 지속되지 않았음을 시사한다.
• 전자기형 히가시노에 대한 배제 한계는 최대 900 GeV에 도달하였으며, 이는 이전 결과보다 약 200 GeV 향상된 것이다.
• 쿼크 수반 입자에 대한 배제 한계는 1550 GeV에 도달하였으며, 이는 이전 분석 대비 약 300 GeV 향상된 결과이다.
• 글루아노에 대한 배제 한계는 2250 GeV에 도달하였으며, 이는 이전 결과보다 약 400 GeV 향상된 것으로, 강한 초대칭 생성에 대한 감도 향상을 보여준다.
• 전자기 탐색은 히가시노 NLSP를 포함한 GMSB 모델에 대해 향상된 감도를 확보하였으며, 이는 이전의 4-레프톤 및 모든 하드론 최종 상태 탐색 한계 사이의 질량 범위를 커버한다.
• 강한 탐색은 이와 같은 최종 상태에서 이전 ATLAS 탐색보다 더 높은 ˜𝜒₀₁ 질량에 대한 감도를 확보하였으며, 이는 데이터 크기 및 분석 최적화로 인한 성능 향상을 보여준다.