[论文解读] Search for direct production of electroweakinos in final states with one lepton, jets and missing transverse momentum in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2983 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹数据，搜索了质子-质子碰撞中直接产生电弱ino的信号。研究聚焦于包含一个孤立轻子、喷注和缺失横向动量的末态，重点关注费米子对（˜𝜒⁺₁˜𝜒⁻₁）及费米子-次轻量中性ino（˜𝜒±₁˜𝜒⁰₂）的联合产生，其衰变通过W、Z或希格斯玻色子进行。未观测到与标准模型的显著偏离，95%置信水平的排除极限已设定，压缩质量区域的灵敏度最高提升了40 GeV。

ABSTRACT

Searches for electroweak production of chargino pairs, $ ilde{\chi}^{+}_{1} ilde{\chi}^{-}_{1}$, and of chargino and next-to-lightest neutralino, $ ilde{\chi}^{\pm}_{1} ilde{\chi}^{0}_{2}$, are presented. The models explored assume that the charginos decay into a $W$ boson and the lightest neutralino, $ ilde{\chi}^{\pm}_1 ightarrow W^{\pm} ilde{\chi}^{0}_{1}$. The next-to-lightest neutralinos are degenerate in mass with the chargino and decay to $ ilde{\chi}^{0}_{1}$ and either a $Z$ or a Higgs boson, $ ilde{\chi}^{0}_{2} ightarrow Z ilde{\chi}^{0}_{1}$ or $h ilde{\chi}^{0}_{1}$. The searches exploit the presence of a single isolated lepton and missing transverse momentum from the $W$ boson decay products and the lightest neutralinos, and the presence of jets from hadronically decaying $Z$ or $W$ bosons or from the Higgs boson decaying into a pair of $b$-quarks. The searches use 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}= 13$ TeV proton-proton collisions data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018. No deviations from the Standard Model expectations are found, and 95% confidence level exclusion limits are set. Chargino masses ranging from 260 to 520 GeV are excluded for a massless $ ilde{\chi}^{0}_{1}$ in chargino pair production models. Degenerate chargino and next-to-lightest neutralino masses ranging from 260 to 420 GeV are excluded for a massless $ ilde{\chi}^{0}_{1}$ for $ ilde{\chi}^{0}_{2} ightarrow Z ilde{\chi}^{0}_{1}$. For decays through an on-shell Higgs boson and for mass-splitting between $ ilde{\chi}^{\pm}_{1} / ilde{\chi}^{0}_{2}$ and $ ilde{\chi}^{0}_{1}$ as small as the Higgs boson mass, mass limits are improved by up to 40 GeV in the range of 200-260 GeV and 280-470 GeV compared to previous ATLAS constraints.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索直接产生电弱ino的信号，重点关注类似温尼诺的费米子态和次轻量中性ino态。
• 在简化模型中探测费米子衰变为W玻色子和最轻中性ino（˜𝜒⁰₁）的衰变模式，以及次轻量中性ino衰变为Z或希格斯玻色子的衰变模式。
• 通过使用喷注子结构和提升决策树技术，在费米子/中性ino与LSP质量差较小的压缩质量区域提升灵敏度。
• 在包含希格斯玻色子共振衰变的场景中，设定新的95%置信水平下对费米子和次轻量中性ino质量的排除极限。

提出的方法

• 本分析使用了ATLAS探测器在2015至2018年间于√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用喷注子结构技术识别来自W、Z或希格斯玻色子强子衰变的大R喷注，尤其在高boost区域。
• 使用提升决策树（BDT）判别器增强在压缩相空间中的灵敏度，特别是针对希格斯玻色子衰变为底夸克对（h → bb̄）的末态。
• 研究目标为包含恰好一个孤立轻子（e或μ）、缺失横向动量（pTmiss）和喷注的末态，与W、Z或希格斯玻色子衰变一致。
• 简化模型框架假设˜𝜒±₁ → W˜𝜒⁰₁和˜𝜒⁰₂ → Z˜𝜒⁰₁或h˜𝜒⁰₁的分支比为100%，规范玻色子和希格斯玻色子的衰变模式与标准模型一致。
• 通过数据驱动方法和模拟估算标准模型过程的背景，应用严格的选择标准以抑制非共振贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在费米子衰变为W玻色子和最轻中性ino的模型中，对费米子对（˜𝜒⁺₁˜𝜒⁻₁）产生过程的排除极限是多少？
• RQ2 当次轻量中性ino通过Z玻色子衰变时，对关联费米子-次轻量中性ino产生（˜𝜒±₁˜𝜒⁰₂）的约束有何改善？
• RQ3 当次轻量中性ino通过共振希格斯玻色子衰变（特别是h → bb̄）时，质量差较小的压缩质量区域中灵敏度提升多少？
• RQ4 与传统截断计数方法相比，使用喷注子结构和提升决策树技术在多大程度上提升了信号灵敏度？
• RQ5 与以往ATLAS及LHC在相同末态中的搜索相比，新的排除极限有何差异？

主要发现

• 在˜𝜒⁺₁˜𝜒⁻₁对产生模型中，若最轻中性ino（˜𝜒⁰₁）质量为零，则260 GeV至520 GeV范围内的费米子质量在95%置信水平下被排除。
• 在˜𝜒±₁˜𝜒⁰₂关联产生模型中，若˜𝜒⁰₂ → Z˜𝜒⁰₁且费米子与次轻量中性ino质量简并，则260 GeV至420 GeV范围内的质量在最轻中性ino质量为零时被排除。
• 在˜𝜒±₁˜𝜒⁰₂ → Wh末态中，当希格斯玻色子发生共振衰变（h → bb̄）时，200–260 GeV和280–470 GeV范围内的质量极限相比以往ATLAS约束最高提升了40 GeV。
• 使用提升决策树和喷注子结构技术显著增强了在传统方法因背景过高而灵敏度受限的压缩区域中的信号识别能力。
• 未观测到与标准模型预期的显著偏离，所有观测到的信号区域均与仅含背景的预测一致。