[论文解读] Searches for new phenomena in events with two leptons, jets, and missing transverse momentum in 139 fb$^{-1}$ of $ \sqrt{s}=13$ TeV $ pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器收集的139 fb⁻¹ 13 TeV质子-质子对撞数据，开展对标准模型之外新物理的搜索，重点关注包含两个同味异号轻子、喷注及缺失横向动量的末态。通过递归-拼图重建（recursive-jigsaw reconstruction）、电弱及强子产生机制的搜索，该研究对选择性中性子（electroweakinos）的排除极限提升至900 GeV，对squarks的排除极限提升至1550 GeV，对gluinos的排除极限提升至2250 GeV，相比以往结果提高了200–400 GeV。

ABSTRACT

Searches for new phenomena inspired by supersymmetry in final states containing an $e^+e^-$ or $μ^+μ^-$ pair, jets, and missing transverse momentum are presented. These searches make use of proton-proton collision data with an integrated luminosity of 139 $ ext{fb}^{-1}$, collected during 2015-2018 at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13 $TeV by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Two searches target the pair production of charginos and neutralinos. One uses the recursive-jigsaw reconstruction technique to follow up on excesses observed in 36.1 $ ext{fb}^{-1}$ of data, and the other uses conventional event variables. The third search targets pair production of coloured supersymmetric particles (squarks or gluinos) decaying through the next-to-lightest neutralino $( ildeχ_2^0)$ via a slepton $( ilde\ell)$ or $Z$ boson into $\ell^+\ell^- ildeχ_1^0$, resulting in a kinematic endpoint or peak in the dilepton invariant mass spectrum. The data are found to be consistent with the Standard Model expectations. Results are interpreted using simplified models and exclude masses up to 900 GeV for electroweakinos, 1550 GeV for squarks, and 2250 GeV for gluinos.

研究动机与目标

• 在139 fb⁻¹的13 TeV质子-质子对撞数据中，搜索包含两个同味异号轻子、喷注及缺失横向动量的末态中可能存在的新物理。
• 检验涉及sparticles电弱及强子产生机制的超对称模型，特别是带电惰性粒子（charginos）、中性惰性粒子（neutralinos）、squarks及gluinos。
• 通过利用更大数据集和优化分析技术，提升对简化超对称模型的探测灵敏度。
• 研究早期36 fb⁻¹数据中观察到的小量过剩现象在本研究139 fb⁻¹数据中是否持续存在，特别是双轻子末态中的情况。
• 扩展对具有希格斯ino次轻量级超对称粒子（higgsino next-to-lightest SUSY particles）的规范介导超对称性破缺模型的探测灵敏度。

提出的方法

• 采用递归-拼图重建（RJR）技术，提升对电弱超对称产生过程的探测灵敏度，特别针对此前在36.1 fb⁻¹数据中观察到的过剩现象。
• 使用常规事件变量和优化的选择标准，对电弱及强子超对称搜索进行分析，包括采用动量空间分箱以提升灵敏度。
• 在单箱信号区域采用模型无关的上限估计，在简化超对称模型中采用模型相关的轮廓似然拟合。
• 利用数据驱动技术与蒙特卡罗模拟估算背景，对所有分量的系统不确定性进行评估。
• 利用双轻子不变质量谱识别来自次轻量级中性惰性粒子（˜𝜒₀₂）衰变至 ℓ⁺ℓ⁻˜𝜒₀₁ 的末态中的运动学端点或峰。
• 对三种不同搜索通道（RJR、电弱、强子产生）分别进行背景估计，设置专用控制区域与验证技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 在139 fb⁻¹完整数据集中，早期36.1 fb⁻¹数据中观察到的双轻子末态小量过剩是否仍然存在？
• RQ2 在优化分析选择标准并使用更大数据集后，电弱与强子超对称产生过程的排除极限有何提升？
• RQ3 能否将对具有希格斯ino次轻量级超对称粒子（NLSP）的规范介导超对称性破缺模型的探测灵敏度扩展至更高质量与分支比？
• RQ4 新排除极限与以往ATLAS在类似末态中的搜索结果相比如何，特别是在gluino与squark质量探测范围方面？
• RQ5 与以往分析相比，递归-拼图重建技术与优化选择标准在多大程度上提升了探测灵敏度？

主要发现

• 数据与标准模型预期一致，未在递归-拼图重建搜索中观察到显著过剩，表明此前在36.1 fb⁻¹数据中观察到的小量过剩并未持续。
• 对选择性中性子（electroweakinos）的排除极限达到900 GeV，相比以往结果提升约200 GeV。
• 对squarks的排除极限达到1550 GeV，相比早期分析提升300 GeV。
• 对gluinos的排除极限达到2250 GeV，相比以往结果提升400 GeV，显示出对强子超对称产生过程更强的探测灵敏度。
• 电弱搜索对具有希格斯ino NLSP的GMSB模型实现了更高的灵敏度，覆盖范围介于以往四轻子末态与全部强子末态搜索极限之间。
• 强子搜索对˜𝜒₀₁质量的探测能力高于以往ATLAS在相同末态中的搜索结果，表明数据规模扩大与分析优化显著提升了性能。