[论文解读] Search for direct pair production of sleptons and charginos decaying to two leptons and neutralinos with mass splittings near the $W$-boson mass in $\sqrt{s}=13\$TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在LHC上13 TeV质子-质子对撞的139 fb⁻¹数据中，搜索了近W玻色子质量的衰变道中，selectron与chargino的直接成对产生，目标为弱尺度超对称性中的‘中等压缩’质量区域，其中selectron或chargino衰变为轻子与最轻超对称粒子（LSP）。未观测到显著过量，因此在特定质量分裂区域，slepton与chargino的95%置信水平排除极限分别达到150 GeV与140 GeV。

ABSTRACT

A search for the electroweak production of pairs of charged sleptons or charginos decaying into two-lepton final states with missing transverse momentum is presented. Two simplified models of $R$-parity-conserving supersymmetry are considered: direct pair-production of sleptons ($ ilde{\ell} ilde{\ell}$), with each decaying into a charged lepton and a $ ilde{\chi}_1^0$ neutralino, and direct pair-production of the lightest charginos $( ilde{\chi}_1^\pm ilde{\chi}_1^\mp)$, with each decaying into a $W$-boson and a $ ilde{\chi}_1^0$. The lightest neutralino ($ ilde{\chi}_1^0$) is assumed to be the lightest supersymmetric particle (LSP). The analyses target the experimentally challenging mass regions where $m( ilde{\ell})-m( ilde{\chi}_1^0)$ and $m( ilde{\chi}_1^\pm)-m( ilde{\chi}_1^0)$ are close to the $W$-boson mass (`moderately compressed' regions). The search uses 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$ TeV proton-proton collisions recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. No significant excesses over the expected background are observed. Exclusion limits on the simplified models under study are reported in the ($ ilde{\ell}, ilde{\chi}_1^0$) and ($ ilde{\chi}_1^\pm, ilde{\chi}_1^0$) mass planes at 95% confidence level (CL). Sleptons with masses up to 150 GeV are excluded at 95% CL for the case of a mass-splitting between sleptons and the LSP of 50 GeV. Chargino masses up to 140 GeV are excluded at 95% CL for the case of a mass-splitting between the chargino and the LSP down to about 100 GeV.

研究动机与目标

• 扩展对弱尺度超对称性在‘中等压缩’质量区域的实验灵敏度，该区域中selectron或chargino衰变为轻子与最轻超对称粒子（LSP）。
• 探测先前LEP或LHC搜索未排除的参数空间，尤其与解释(g−2)μ异常相关。
• 在质量分裂接近W玻色子质量、拓扑结构具有挑战性的区域中，提升探测灵敏度。
• 针对同味与混合味轻子末态，应用专门的分析策略，结合数据驱动与机器学习技术。

提出的方法

• 使用ATLAS探测器收集的139 fb⁻¹ √s = 13 TeV质子-质子对撞数据。
• 采用两种不同的分析策略：一种用于selectron成对产生（同味轻子）的分析，采用数据驱动的本底估计；另一种用于chargino成对产生（同味与异味轻子）的分析，使用在信号型拓扑上训练的提升决策树。
• 应用事件选择标准，包括两个电荷相反的轻子、大缺失横向动量（EmissT）、低强子活动性以及b-夸克喷注 veto。
• 在两种分析中均以mT2变量作为关键区分变量，并采用形状拟合技术提取信号灵敏度。
• 对探测器效应、喷注能量标度以及轻子重建的系统性不确定度进行修正。
• 通过统计假设检验，在(m(˜ℓ), m(˜χ₀₁))与(m(˜χ±₁), m(˜χ₀₁))质量平面中设定95%置信水平的排除极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质量分裂接近W玻色子质量的‘中等压缩’质量区域中，slepton衰变为两个轻子与LSP的直接成对产生能否被观测到？
• RQ2 当chargino-LSP质量差接近W玻色子质量时，chargino衰变为W玻色子与LSP的直接成对产生能否被探测到？
• RQ3 ATLAS探测器对这些压缩型SUSY事例的灵敏度如何？其结果是否超越了以往的搜索？
• RQ4 数据驱动与机器学习技术在估计拓扑结构与标准模型过程相近的本底时，效果如何？

主要发现

• 在slepton与chargino搜索通道中，均未观测到显著超过标准模型本底的过量。
• 对于slepton与LSP之间质量分裂为50 GeV的情况，质量高达150 GeV的slepton在95%置信水平下被排除。
• 对于chargino与LSP之间质量分裂约为100 GeV的情况，质量高达140 GeV的chargino在95%置信水平下被排除。
• 结果将排除范围扩展至先前ATLAS与CMS在相同末态中的搜索结果，尤其在压缩质量区域表现更优。
• 在chargino分析中应用机器学习技术，显著提升了在小质量分裂挑战性拓扑中的灵敏度。
• 在slepton通道中，采用数据驱动的本底估计有效控制了同味轻子末态中的不确定性。