[논문 리뷰] Search for supersymmetry in final states with missing transverse momentum and three or more $b$-jets in 139 fb$^{-1}$ of proton$-$proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2015년에서 2018년 동안 ATLAS 검출기에서 수집한 139 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 초대칭을 위한 탐색을 수행한다. 분석은 큰 미측위 운동량과 3개 이상의 b-제트를 포함하는 최종 상태에 집중한다. 운동역학적 선택 기준과 심층 신경망을 모두 활용하여, 95% 신뢰수준에서 2.44 TeV(질량이 없는 t¯tχ̃⁰₁ 붕괴에 대해) 및 2.35 TeV(질량이 없는 b¯bχ̃⁰₁ 붕괴에 대해) 이하의 글루아인 질량에 대한 배제 한계를 설정하였다. 배경 예측에 비해 유의미한 초과는 관측되지 않았다.

ABSTRACT

A search for supersymmetry involving the pair production of gluinos decaying via off-shell third-generation squarks into the lightest neutralino ($ ilde\chi^0_1$) is reported. It exploits LHC proton$-$proton collision data at a centre-of-mass energy $\sqrt{s} = 13$ TeV with an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ collected with the ATLAS detector from 2015 to 2018. The search uses events containing large missing transverse momentum, up to one electron or muon, and several energetic jets, at least three of which must be identified as containing $b$-hadrons. Both a simple kinematic event selection and an event selection based upon a deep neural-network are used. No significant excess above the predicted background is found. In simplified models involving the pair production of gluinos that decay via off-shell top (bottom) squarks, gluino masses less than 2.44 TeV (2.35 TeV) are excluded at 95% CL for a massless $ ilde\chi^0_1$. Limits are also set on the gluino mass in models with variable branching ratios for gluino decays to $b\bar{b} ilde\chi^0_1$, $t\bar{t} ilde\chi^0_1$ and $t\bar{b} ilde\chi^-_1$ / $\bar{t}b ilde\chi^+_1$.

연구 동기 및 목표

• 139 fb⁻¹의 13 TeV 양성자-양성자 충돌에서 큰 미측위 운동량과 3개 이상의 b-제트를 포함하는 최종 상태에서 초대칭을 탐색한다.
• R-대칭 보존을 가정할 때, 빛의 중성이온(χ̃⁰₁)으로 붕괴하는 비가역적 톰 또는 바텀 스퀘어크를 통해 쌍생성된 글루아인의 붕괴를 탐색한다.
• 신호와 배경 사건 간의 분리 능력을 향상시키기 위해 심층 신경망을 활용하여 감도를 향상시킨다.
• 고정 또는 가변 분해비율을 가진 글루아인 붕괴에 대해 단순화된 모델에서 글루아인 및 중성이온 질량에 대한 배제 한계를 설정한다.
• 더 큰 데이터셋과 최적화된 분석 기법을 사용하여 이전 ATLAS 탐색 결과를 업데이트하고 확장한다.

제안 방법

• 분석은 2015년에서 2018년까지 ATLAS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 큰 Eₜₘᵢₛₛ, 최대 한 개의 고립된 전자 또는 뮤온, 그리고 제트의 품질 태깅을 통해 식별된 3개 이상의 b-제트 기반으로 선별된다.
• 두 가지 분석 전략을 사용한다: 다수의 신호 영역에서의 전통적인 운동역학적 선택 기준과, 관측량을 통합하여 신호-배경 분리 최적화를 위한 심층 신경망.
• 심층 신경망은 주로 QCD 다중제트 및 W/Z + 제트 과정에 기인한 표준모형 배경과의 차이를 구분하도록 훈련된다.
• 의미 부여를 위해 단순화된 모델을 사용하며, Gtt(글루아인 → t¯tχ̃⁰₁), Gbb(글루아인 → b¯bχ̃⁰₁), Gtb(분해비율이 변하는 t¯tχ̃⁰₁, b¯bχ̃⁰₁, t¯bχ̃⁻₁/¯t bχ̃⁺₁로의 붕괴) 포함.
• 제트 에너지 스케일, 미측위 운동량, b-태깅 효율성 및 루미너스리티에 대한 체계적 불확실성을 평가하였으며, 이는 배제 한계 계산 전반에 걸쳐 완전히 반영되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비가역적 톰 또는 바텀 스퀘어크를 통해 빛의 중성이온(χ̃⁰₁)으로 붕괴하는 글루아인 붕괴를 포함하는 단순화된 모델에서 글루아인 질량에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 이 최종 상태에서 전통적인 운동역학적 선택 기준에 비해 심층 신경망의 포함이 감도에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 t¯tχ̃⁰₁, b¯bχ̃⁰₁, t¯bχ̃⁻₁/¯t bχ̃⁺₁로의 혼합 붕괴를 포함하는 모델에서 글루아인 분해비율에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 이전에 더 작은 데이터셋을 사용한 ATLAS 탐색에 비해 139 fb⁻¹의 데이터로 얻은 결과는 어떻게 향상되었는가?
• RQ5 신호 영역에서 관측된 데이터의 유의미성은 기대되는 표준모형 배경과 비교하여 어떻게 평가되는가?

주요 결과

• 모든 신호 영역에서 표준모형 배경 예측에 비해 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 질량이 없는 χ̃⁰₁을 가진 Gtt 모델에서 95% 신뢰수준에서 2.44 TeV 이하의 글루아인 질량은 배제되었다.
• 질량이 없는 χ̃⁰₁을 가진 Gbb 모델에서 95% 신뢰수준에서 2.35 TeV 이하의 글루아인 질량은 배제되었다.
• 변동 분해비율을 가진 Gtb 모델에서 m(χ̃⁰₁) = 1000 GeV일 경우, B(˜g → t¯tχ̃⁰₁) 대 B(˜g → b¯bχ̃⁰₁) 평면 전역에 걸쳐 배제 한계가 설정되었으며, 배제된 글루아인 질량의 최고치는 2.1 TeV에 이르렀다.
• 심층 신경망 기반 분석은 특히 겹치는 신호 영역에서 운동역학적 접근에 비해 감도가 향상되었다.
• 더 큰 데이터셋과 최적화된 이벤트 선별 기법 덕분에 이 결과들은 이전 ATLAS 분석에 비해 배제 영역이 크게 향상되었다.