[論文レビュー] A Comparison of Future Proton Colliders Using SUSY Simplified Models: A Snowmass Whitepaper

Timothy Cohen, T. Golling+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、簡略化された supersymmetry (SUSY) モデルを用いて、将来の陽子衝突機—14 TeV LHC、33 TeV HE-LHC、100 TeV VLHC—の発見可能性および除外限界を評価する。グルーチノ・ニュートラリノ、スクォーク・ニュートラリノ、グルーチノ・スクォークの最終状態に注目する。高いエネルギーと光度が感度を顕著に向上させることを示し、特に系誤差が低減された場合に顕著である。100 TeV衝突機では、現実的な条件下でグルーチノ質量が13.5 TeVまで探査可能である。

ABSTRACT

We present a summary of results for SUSY Simplified Model searches at future proton colliders: the 14 TeV LHC as well as a 33 TeV proton collider and a 100 TeV proton collider. Upper limits and discovery significances are provided for the gluino-neutralino (for both light and heavy flavor decays), squark-neutralino, and gluino-squark Simplified Model planes. Events are processed with the Snowmass combined detector and Standard Model backgrounds are computed using the Snowmass samples. We place emphasis on comparisons between different collider scenarios, along with the lessons learned regarding the impact of systematic errors and pileup. More details are provided in a companion paper.

研究の動機と目的

• 将来の陽子衝突機（14 TeV LHC、33 TeV HE-LHC、100 TeV VLHC）が、簡略化された supersymmetry (SUSY) モデルを発見または除外できる物理的限界を評価すること。
• 中心エネルギーや統合光度、系誤差の増加が発見可能性に与える影響を評価すること。
• Snowmassフレームワークに従い、一貫した検出器およびバックグラウンドシミュレーションを用いて、異なる衝突機シナリオの性能を比較すること。
• 100 TeVでのパイルアップおよびレプトン分離度効果が、特にレプトンベースの探索において性能をどのように低下させるかを調査すること。
• 完全なバックグラウンドシミュレーションと最適化された探索戦略に基づき、100 TeV陽子衝突機の物理的根拠を定量的ベンチマークとして提供すること。

提案手法

• すべての衝突機シナリオにおいて、信号および標準模型バックグラウンドをモデル化するために、Snowmass統合検出器およびバックグラウンドシミュレーションフレームワークを用いる。
• 4つの異なる解析戦略を適用：ジェット＋欠落横断運動量（E_T^miss）、同符号二レプトン、単一レプトン、および圧縮スペクトル探索。
• 各衝突機エネルギーおよび光度（300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹）に対して、信号駆動型で簡略化モデルに基づくアプローチを用いて、信号領域のカットを最適化する。
• 特に100 TeVでのレプトン分離度への影響を評価するために、イベントおよび再構成レベルでの現実的なパイルアップ効果を組み込む。
• 系誤差の影響を定量化するために、20%および5%の系誤差を比較し、誤差が低減された場合に発見限界が改善されることを示す。
• シミュレーションおよび解析チェーンの整合性と信頼性を保証するため、既存の14 TeV ATLAS研究と照合して結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVから100 TeVに中心エネルギーエネルギーを増加させると、簡略化されたSUSYモデルにおけるグルーチノおよびスクォーク対生成の発見限界にどのような影響を与えるか？
• RQ2 300 fb⁻¹から3000 fb⁻¹に統合光度を増加させると、圧縮および非圧縮SUSYスペクトルの除外および発見限界にどのような影響を与えるか？
• RQ3 系誤差（例：20% 対 5%）は、質量がゼロのニュートラリノを伴うグルーチノ・ニュートラリノモデルにおいて、予測された除外限界にどのような影響を与えるか？
• RQ4 特に100 TeV衝突機において、パイルアップの硬さが増加することで、レプトンベースの探索性能がどの程度低下するか？
• RQ5 100 TeV衝突機は、14 TeV LHCの運動学的限界を超えてグルーチノ質量を探査可能か？現実的な条件下で到達可能な最大質量は何か？

主な発見

• 系誤差を20%から5%に低減すると、質量がゼロのニュートラリノを伴うグルーチノ・ニュートラリノモデルでグルーチノの除外限界が300 GeV向上する。
• 3000 fb⁻¹の統合光度条件下では、14 TeV LHCは2.3 TeVのグルーチノを発見可能（300 fb⁻¹では1.9 TeV）、バックグラウンド制限があるにもかかわらず顕著な改善を示す。
• 100 TeV衝突機では、グルーチノ質量を13.5 TeVまで探査可能であり、3000 fb⁻¹データセットで約60件のSUSYイベントに相当するため、ほぼ最大限の探査限界に達している。
• 14 TeVおよび33 TeVでのハドロン的探索（ジェット＋E_T^miss）は、パイルアップ効果に対して頑健であり、性能に顕著な低下がない。
• 100 TeVでのレプトンベースの探索は、パイルアップの硬さが増加することでレプトン分離度効率が低下し、探査限界が約10%低下する。
• 14 TeVでの3000 fb⁻¹探索は系誤差に制限されている。光度を増加させるだけでは、カットを再最適化しない限り感度は向上せず、グルーチノ質量が約2.5 TeV付近では感度がわずかに25%向上するにとどまる。