[论文解读] Search for heavy, long-lived, charged particles with large ionisation energy loss in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13~ ext{TeV}$ using the ATLAS experiment and the full Run 2 dataset

Aad, G., Abbott, B.+2854 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文利用大型强子对撞机（LHC）ATLAS探测器，通过像素探测器中测量的高电离能损（dE/dx）寻找重的、长寿命的带电粒子，以识别寿命低至约1 ns的粒子。该分析设定了迄今为止最严格的质量极限——R-夸克分子的极限高达2.27 TeV，选择子的极限高达1.07 TeV，覆盖广泛的寿命范围，显著扩展了超对称及其他新物理模型中的先前约束。

ABSTRACT

This paper presents a search for hypothetical massive, charged, long-lived particles with the ATLAS detector at the LHC using an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV. These particles are expected to move significantly slower than the speed of light and should be identifiable by their high transverse momenta and anomalously large specific ionisation losses, ${\mathrm{d}}E/\mathrm{d}x$. Trajectories reconstructed solely by the inner tracking system and a ${\mathrm{d}}E/\mathrm{d}x$ measurement in the pixel detector layers provide sensitivity to particles with lifetimes down to ${\cal O}(1)$ $ ext{ns}$ with a mass, measured using the Bethe--Bloch relation, ranging from 100 GeV to 3 TeV. Interpretations for pair-production of $R$-hadrons, charginos and staus in scenarios of supersymmetry compatible with these particles being long-lived are presented, with mass limits extending considerably beyond those from previous searches in broad ranges of lifetime.

研究动机与目标

• 通过其异常高的电离能损（dE/dx）测量，寻找在探测器中行进显著距离后才衰变的重的、长寿命带电粒子（LLPs）
• 通过利用内层像素跟踪器中高精度的dE/dx测量，将ATLAS对LLPs的探测灵敏度扩展至超越以往搜索的范围
• 改进超对称模型中长寿命R-夸克分子、选择子和 selectron 的约束
• 通过使用数据驱动的dE/dx响应模板，减少对模拟的依赖，并通过优化信号区域定义改进背景建模

提出的方法

• 分析使用了ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据
• 通过内层像素探测器层中测量的高横向动量、异常大的dE/dx值识别候选LLP
• 使用数据驱动的dE/dx响应模板替代模拟来建模探测器响应，从而改善背景估计
• 应用更高的dE/dx阈值，并对带有IBL溢出标志的轨迹进行单独处理，以减少系统误差
• 根据动量和dE/dx将信号区域细分为多个子区域，以增强对不同质量和寿命范围的探测灵敏度
• 通过高动量验证区域和伪信号区域评估系统误差，以检验背景建模的可靠性

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS实验在使用像素探测器中dE/dx测量时，对寿命低至约1 ns的重的、长寿命带电粒子的探测灵敏度如何？
• RQ2 与以往ATLAS对LLP的搜索相比，基于dE/dx的新选择技术如何提升排除极限？
• RQ3 在长寿命的超对称模型中，R-夸克分子、选择子和 selectron 的最严格质量极限是什么？
• RQ4 使用数据驱动的dE/dx模板如何影响背景估计和排除极限的稳健性？
• RQ5 在高dE/dx和高质质量区域观测到的过量具有何种显著性？是否与标准模型预期一致？

主要发现

• 在针对1.4 TeV目标质量假设优化的子区域中，观测到3.6σ局部（3.3σ全局）显著性过量，但未发现新物理的证据
• 除高dE/dx和高质质量过量外，观测到的事件产率和分布与标准模型背景预期一致
• 对寿命为10–30 ns的LLP探测灵敏度最高，此时该方法在识别高dE/dx轨迹方面最为有效
• 对于中性子质量为100 GeV、寿命为20 ns的R-夸克分子，95%置信水平下排除了高达2.27 TeV的质量
• 对于质量分裂为30 GeV、寿命为30 ns的压缩型R-夸克分子，95%置信水平下设定了2.06 TeV的质量极限
• 在质量-寿命平面上设定了迄今为止最严格的极限，排除了30 ns时选择子质量低于1.07 TeV的情况，以及10 ns时selectron质量低于220–360 GeV的情况