[论文解读] Search for direct pair production of supersymmetric partners of $ au$ leptons in the final state with two hadronically decaying $ au$ leptons and missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2358 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本研究利用CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹数据，搜索质子-质子碰撞中τ slepton（τ轻子的超对称伙伴）的直接成对产生。研究聚焦于包含两个强子衰变τ轻子和缺失横向动量的末态，涵盖即时衰变和长寿命τ slepton衰变两种情况。未观测到显著过量；对于即时衰变，τ slepton质量在115–340 GeV范围内被排除；对于cτ₀ = 0.1 mm寿命的长寿命情况，质量范围为150–220 GeV被排除。

ABSTRACT

A search for the direct production of a pair of $ au$ sleptons, the supersymmetric partners of $ au$ leptons, is presented. Each $ au$ slepton is assumed to decay to a $ au$ lepton and the lightest supersymmetric particle (LSP), which is assumed to be stable and to not interact in the detector, leading to an imbalance in the total reconstructed transverse momentum. The search is carried out in events identified as containing two $ au$ leptons, each decaying to one or more hadrons and a neutrino, and significant transverse momentum imbalance. In addition to scenarios in which the $ au$ sleptons decay promptly, the search also addresses scenarios in which the $ au$ sleptons have sufficiently long lifetimes to give rise to nonprompt $ au$ leptons. The data were collected in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV at the CERN LHC with the CMS detector in 2016-2018, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. No significant excess is seen with respect to standard model expectations. Upper limits on cross sections for the pair production of $ au$ sleptons are obtained in the framework of simplified models. In a scenario in which the $ au$ sleptons are superpartners of left-handed $ au$ leptons, and each undergoes a prompt decay to a $ au$ lepton and a nearly massless LSP, $ au$ slepton masses between 115 and 340 GeV are excluded. In a scenario in which the lifetime of the $ au$ sleptons corresponds to $c au_0$ = 0.1 mm, where $ au_{0}$ represents the mean proper lifetime of the $ au$ slepton, masses between 150 and 220 GeV are excluded.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索τ slepton的直接成对产生。
• 研究τ slepton即时衰变和长寿命衰变至τ轻子及稳定最轻超对称粒子（LSP）的场景。
• 在简化模型中为τ slepton成对产生设定截面极限。
• 扩展对长寿命停夸克（stau）信号的探测灵敏度，特别是规范介导的超对称性自发破缺（GMSB）场景。
• 在先前LHC搜索的基础上，进一步提升对τ slepton质量的约束，包括位移顶点信号。

提出的方法

• 分析CMS探测器在√s = 13 TeV下（2016–2018年）收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 识别包含两个强子衰变τ轻子和显著横向动量不平衡（E_T^miss）的事件。
• 使用深度神经网络提升对强子衰变τ的识别能力。
• 应用位移顶点重建技术，识别具有有限寿命的τ slepton（cτ₀ = 0.1 mm至2.5 mm）。
• 使用包含即时或长寿命τ slepton的简化超对称模型，对信号和背景贡献进行建模。
• 通过统计假设检验，在95%置信水平下设定τ slepton成对产生的截面上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，简化模型中τ slepton成对产生的排除极限是多少（假设即时衰变）？
• RQ2 cτ₀ = 0.1 mm的长寿命τ slepton衰变对ττ + E_T^miss末态中超对称信号探测灵敏度有何影响？
• RQ3 位移顶点重建在CMS探测器中对长寿命停夸克类粒子的探测能力提升程度如何？
• RQ4 与以往LHC对τ slepton的搜索相比，本研究结果在GMSB模型背景下的表现如何？
• RQ5 τ轻子识别效率和背景估计对最终截面极限的影响有多大？

主要发现

• 在包含两个强子衰变τ轻子和缺失横向动量的末态中，未观测到超出标准模型背景的显著过量。
• 对于即时衰变的τ slepton，在假设LSP近乎无质量的前提下，95%置信水平下排除了115 GeV至340 GeV的τ slepton质量范围。
• 对于cτ₀ = 0.1 mm的长寿命τ slepton，95%置信水平下排除了150 GeV至220 GeV的质量范围。
• 本研究实现了对位移顶点的更高灵敏度，首次在该末态中观测到重建位移τ候选的信号。
• 结果为简化模型中同时包含即时和长寿命衰变的τ slepton成对产生设定了迄今最严格的约束。
• 本分析证明了基于深度学习的τ识别和位移顶点重建技术在提升对长寿命超对称粒子探测灵敏度方面的有效性。