[論文レビュー] Search for heavy, long-lived, charged particles with large ionisation energy loss in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13~ ext{TeV}$ using the ATLAS experiment and the full Run 2 dataset

Aad, G., Abbott, B.+2854 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、LHCのATLAS検出器を用いて、高イオン化エネルギー損失（dE/dx）をピクセル検出器で測定することで、~1 nsまでの寿命を有する重く長寿命な荷電粒子の探索を実施する。解析は、これまでにない厳密な質量限界を設定した—R-ハドロンでは2.27 TeV、チョリノでは1.07 TeVまでで、広範な寿命範囲にわたり、超対称性やその他のBSMモデルにおける既存の制約を顕著に拡張した。

ABSTRACT

This paper presents a search for hypothetical massive, charged, long-lived particles with the ATLAS detector at the LHC using an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV. These particles are expected to move significantly slower than the speed of light and should be identifiable by their high transverse momenta and anomalously large specific ionisation losses, ${\mathrm{d}}E/\mathrm{d}x$. Trajectories reconstructed solely by the inner tracking system and a ${\mathrm{d}}E/\mathrm{d}x$ measurement in the pixel detector layers provide sensitivity to particles with lifetimes down to ${\cal O}(1)$ $ ext{ns}$ with a mass, measured using the Bethe--Bloch relation, ranging from 100 GeV to 3 TeV. Interpretations for pair-production of $R$-hadrons, charginos and staus in scenarios of supersymmetry compatible with these particles being long-lived are presented, with mass limits extending considerably beyond those from previous searches in broad ranges of lifetime.

研究の動機と目的

• 検出器内で長距離を走行した後に崩壊する重く長寿命な荷電粒子（LLP）の探索を、異常に高いイオン化エネルギー損失（dE/dx）を用いて実施すること。
• 内側のピクセルトラッカーにおける高精度なdE/dx測定を活用することで、従来のATLAS探索を超えるLLPへの感度を向上させること。
• 長寿命を有する超対称性モデルにおけるR-ハドロン、チリノ、スタウの制約を強化すること。
• シミュレーションへの依存を減らすためにデータ駆動型のdE/dx応答テンプレートを用い、最適化された信号領域定義によりバックグラウンドモデルを改善すること。

提案手法

• 本解析は、ATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹のpp衝突データ（√s = 13 TeV）を用いる。
• 内側のピクセル検出器層で測定された異常に大きなdE/dxを持つ高い横方向運動量のトラックを用いて、LLP候補を特定する。
• バックグラウンド推定を改善するために、シミュレーションではなくデータ駆動型のdE/dx応答テンプレートを用いる。
• システムティック不確実性を低減するために、dE/dxの閾値を高く設定し、IBLオーバーフロー・フラグを有するトラックを別々に処理する。
• 感度を向上させるために、運動量およびdE/dxに基づいて信号領域を部分的に分割する。
• システムティック不確実性は、高運動量のバリデーション領域および疑似信号領域を用いて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS実験は、ピクセル検出器におけるdE/dx測定を用いて、寿命が~1 nsまでの重く長寿命な荷電粒子に対して、どの程度の感度を有するか？
• RQ2 新しいdE/dxに基づく選別手法は、従来のATLASのLLP探索と比較して、排除限界をどのように改善するか？
• RQ3 長寿命を有する超対称性モデルにおけるR-ハドロン、チリノ、スタウの最も厳しい質量限界は何か？
• RQ4 データ駆動型dE/dxテンプレートの使用は、バックグラウンド推定および排除限界のロバスト性にどのように影響するか？
• RQ5 高dE/dxおよび高質量領域で観測された過剰は有意義であり、標準模型の期待と整合的か？

主な発見

• 1.4 TeVの標的質量仮説に最適化されたサブ領域で、3.6σの局所的（3.3σのグローバル）有意性の過剰が観測されたが、新物理の証拠は得られなかった。
• 観測されたイベント数と分布は、高dE/dxおよび高質量領域の過剰を除き、標準模型のバックグラウンド期待値と整合的であった。
• LLPの寿命が10–30 nsの範囲で最大の感度が達成され、この範囲で高dE/dxトラックを効果的に同定できる。
• 中性ノー粒子質量が100 GeVで、20 nsの寿命を有するR-ハドロンに対して、95%信頼水準で2.27 TeVの質量限界が除外された。
• 質量スプリングが30 GeVで、30 nsの寿命を有する圧縮R-ハドロンに対して、95%信頼水準で2.06 TeVの質量限界が設定された。
• 質量–寿命平面におけるこれまでで最も厳しい限界が設定され、30 nsの寿命ではチリノに対して1.07 TeV未満の質量が除外され、10 nsの寿命ではスタウに対して220–360 GeV未満の質量が除外された。