[論文レビュー] Search for supersymmetry in final states with disappearing tracks in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 97被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、CMS検出器を用いて√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において超対称性の探索を実施し、長寿命のチルアインォが寄与する消える軌跡を示す最終状態に注目する。高度なトラック再構築、dE/dx測定、機械学習に基づく分類手法を用いることで、ウィノおよびヒッグスィノに類似したチルアインォに対する感度が向上し、グルーギノおよびスクアーキュールの対生成、および電弱ニューオニョ生成に対して、これまでで最も厳しい制限を設定した。背景予測と著しい超過は観測されなかった。

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.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの137 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いて、消える軌跡を示す最終状態における長寿命の超対称粒子、特にチルアインォの探索を目的とする。
• dE/dx測定と機械学習に基づくトラック分類を組み込むことで、ウィノおよびヒッグスィノに類似したチルアインォに対する感度を向上させる。
• 電子+DTkおよびミューオン+DTkチャンネルを含む新しい最終状態への拡張を実施し、レプトン性崩壊モードを探索する。
• 超対称粒子生成の簡略化モデルおよび電弱ニューオニョ暗黒物質のシナリオに対して、これまでで最も厳しい除外限界を設定する。

提案手法

• 2016年から2018年の間、CMS検出器が収集した√s = 13 TeVの137 fb⁻¹のpp衝突データを用いる。
• 消える軌跡を特定する際の効率とバックグラウンド拒否性能を向上させるために、機械学習に基づくトラック分類アルゴリズムを適用する。
• 信号候補トラックのdE/dx測定を用いることで、特に高質量領域における小さなローレンツブーストを持つチルアインォに対する感度を向上させる。
• ジェット数、bフラグ付きジェット数、電子数、ミューオン数に基づいて、強い相互作用生成と電弱生成メカニズムを区別するための探索領域を定義する。
• シミュレートされたイベントサンプルを用いて信号および標準模型バックグラウンドをモデル化し、詳細なシステムティック不確かさの評価を実施する。
• 観測データとバックグラウンドのみの仮説を比較する統計的検定を実施したが、新物理信号の兆候は観測されず、背景予測と整合的であった。

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

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 消える軌跡のシグネチャーを示す状況において、簡略化モデルにおけるグルーギノおよびスクアーキュールの対生成に対して、これまでで最も厳しい制限は何か？
• RQ2 電子+DTkおよびミューオン+DTk最終状態の導入は、電弱ニューオニョ媒介シナリオにおける長寿命チルアインォの感度をどのように向上させるか？
• RQ3 dE/dx測定は、低ローレンツブーストを持つ高質量チルアインォに対する感度をどの程度向上させるか？
• RQ4 長寿命チルアインォの崩壊に基づく純粋ウィノおよびヒッグスィノ暗黒物質モデルに対する除外限界は何か？
• RQ5 軽量の第3世代スクアーキュールとウィノまたはヒッグスィノに類似したLSPを有するシナリオは、結果によってどの程度制限を受けるか？

主な発見

• 観測データはバックグラウンドのみの仮説と統計的に整合しており、新物理信号を示す著しい超過は観測されなかった。
• 軽量の第3世代スクアーキュールとウィノまたはヒッグスィノに類似した暗黒物質候補を有するシナリオに対して、これまでで最も厳しい除外限界を設定した。
• 純粋ウィノ暗黒物質モデルでは、チルアインォは650 GeVまでの質量で除外された。
• 純粋ヒッグスィノ暗黒物質モデルでは、チルアインォは210 GeVまでの質量で除外された。
• 電子+DTkおよびミューオン+DTkチャンネルの導入に加え、dE/dxに基づく選別により、高質量および低ブーストチルアインォに対する感度が顕著に向上した。
• 機械学習に基づくトラック分類により、信号効率とバックグラウンド拒否性能が向上し、全体の探索感度が向上した。

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