[论文解读] Search for long-lived, massive particles in events with displaced vertices and multiple jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

G. Aad, Aad, Georges+2973 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究首次在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中，利用 139 fb⁻¹ 数据，对 R-宇称破坏的超对称理论中的长寿命电弱ino（electroweakinos）进行了 ATLAS 搜索。通过采用专门的位移顶点重建技术，该研究在 95% 置信水平下设定了排除限界：对质量低于 1.5 TeV 且寿命在 0.03 至 1 ns 之间的双荷电长寿命电弱ino，以及质量为 1.5 TeV 的中性ino（来自 2.4 TeV 胚胶子衰变）在寿命 0.02–4 ns 范围内，均设定了排除限界。

ABSTRACT

A search for long-lived particles decaying into hadrons is presented. The analysis uses 139 fb$^{-1}$ of $pp$ collision data collected at $\sqrt{s} = 13$ TeV by the ATLAS detector at the LHC using events that contain multiple energetic jets and a displaced vertex. The search employs dedicated reconstruction techniques that significantly increase the sensitivity to long-lived particles decaying in the ATLAS inner detector. Background estimates for Standard Model processes and instrumental effects are extracted from data. The observed event yields are compatible with those expected from background processes. The results are used to set limits at 95% confidence level on model-independent cross sections for processes beyond the Standard Model, and on scenarios with pair-production of supersymmetric particles with long-lived electroweakinos that decay via a small $R$-parity-violating coupling. The pair-production of electroweakinos with masses below 1.5 TeV is excluded for mean proper lifetimes in the range from 0.03 ns to 1 ns. When produced in the decay of $m( ilde{g})=2.4$ TeV gluinos, electroweakinos with $m( ildeχ^0_1)=1.5$ TeV are excluded with lifetimes in the range of 0.02 ns to 4 ns.

研究动机与目标

• 在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中，寻找衰变为强子的长寿命、大质量粒子。
• 应对长寿命粒子在主顶点外显著衰变、从而逃避标准重建技术挑战的问题。
• 开发并应用新型重建算法，以增强对长寿命粒子衰变产生的位移顶点的探测灵敏度。
• 利用数据驱动的背景估计方法，设定模型无关与超对称特定的排除限界。
• 将 LHC 搜索的覆盖范围扩展至具有长寿命电弱ino的 R-宇称破坏超对称（R-parity-violating SUSY）情形。

提出的方法

• 利用 ATLAS 探测器在 √s = 13 TeV 下收集的 139 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 采用专门优化的轨迹与顶点重建算法，以在内层探测器中识别长寿命粒子衰变产生的位移顶点。
• 应用信号区域标准，选择包含多个高能喷射（jets）和位移顶点的事件，且不强制要求 jet 与顶点关联，以保留对多样化衰变拓扑结构的灵敏度。
• 完全基于控制区域从数据中估计标准模型背景产率，最大限度减少对模拟的依赖。
• 使用模型无关的截面限界及特定基准场景（EWK RPV 和 Strong RPV）来解释结果。
• 对 R-宇称破坏超对称模型施加 95% 置信水平限界，以约束小 𝜆′′ 耦合常数的情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS 探测器在 13 TeV 质子-质子碰撞中，对衰变为强子且具有位移顶点的长寿命粒子的探测灵敏度如何？
• RQ2 专门设计的重建技术在内层跟踪器中识别长寿命粒子产生的位移顶点方面有多高效？
• RQ3 位移顶点信号的主要背景来源是什么？如何从数据中准确估计这些背景？
• RQ4 对具有长寿命电弱ino的 R-宇称破坏超对称模型，其排除限界是什么？
• RQ5 与以往结果相比，本分析在多大程度上扩展了 LHC 对长寿命粒子搜索的覆盖范围？

主要发现

• 未观测到显著超出标准模型背景的过量，观测到的产率与预期背景一致。
• 在 95% 置信水平下，对质量低于 1.5 TeV 且平均固有寿命在 0.03 ns 至 1 ns 之间的双荷电电弱ino，设定了排除限界。
• 在 95% 置信水平下，对质量为 1.5 TeV 的中性ino（由 2.4 TeV 胚胶子衰变产生）在寿命 0.02 ns 至 4 ns 范围内，也设定了排除限界。
• 本分析设定了长寿命粒子衰变为强子的生产截面的模型无关上限。
• 数据驱动的背景估计方法成功控制了系统性不确定度，提高了限界结果的可靠性。
• 这是首个 ATLAS 搜索，成功展示了对通过 𝜆′′ 耦合衰变的 R-宇称破坏超对称模型中长寿命电弱ino的探测灵敏度。