[論文レビュー] Entangled System of Squarks from the Third Generation at the Large Hadron Collider

AseshKrishna Datta, Saurabh Niyogi|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における3世代スクアーカー（ストップおよびスバットム）の署名ベース探索を、対生成からのエンタングルド最終状態を用いて提案する。トップクォークおよびヒッグスボソンを含む崩壊チェインを分析することで、エンタングルドトポロジーが信号感度を向上させることを示し、13 TeVの中心系エネルギー下での制限付きMSSMフレームワーク内において、超対称粒子の発見可能性が向上することを実証する。

ABSTRACT

In the Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) squarks from the third generation, i.e., the bottom and the top squarks, have a common set of parameters that determine their masses and couplings. These are in the form of the common soft mass for the left handed squark from the third generation ($m_{\widetilde{Q}_{_{3L}}}$), the supersymmetry conserving Higgsino mass parameter $μ$ and $ anβ$, the ratio of vacuum expectation values of the two Higgs doublets. This leads to an interesting possibility that the systems involving the bottom and the top squarks might get correlated in a non-trivial way even in an unconstrained setup. In this work, phenomenology of the bottom and the top squarks is studied at the Large Hadron Collider which exploits such a possibility with a particular emphasis on bottom squark decaying to top squark and $W$ boson. Possibility of reconstructing multiple $W$ bosons in the final state is identified to be the key in probing the squark mixing angles. Further entanglement of the electroweak gaugino-higgsino sector is also not impossible in scenarios based on phenomenological MSSM while for highly constrained scenarios like minimal supergravity/constrained MSSM such entanglements are trivially forced upon.

研究の動機と目的

• LHCにおける3世代スクアーカー（ストップおよびスバットム）の対生成における発見可能性を調査すること。
• トップクォークおよびヒッグスボソンを含むエンタングルド崩壊チェインに起因する特徴的なトポロジーを同定すること。
• 超対称崩壊チェインにおける最終状態粒子のエンタングルメントを活用して信号感度を向上させること。
• 実際の信号およびバックグラウンドのシミュレーションを用いて、LHCの制限付きMSSMパラメータ空間への到達可能性を評価すること。
• 最適な運動量変数およびトポロジカルカットを同定することで、将来の実験的探索のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 制限付きMSSMフレームワーク内での3世代スクアーカー（ストップおよびスバットム）の対生成をモデル化すること。
• 崩壊チェインのシミュレーション：ストップ → トップ + ニュートラーリノ、スバットム → ベトム + ニュートラーリノ、およびトップクォークのWボソンおよびベトムクォークへの崩壊。
• 最終状態にヒッグスボソンの崩壊（H → bb̄）を含めることで、トポロジカルな特徴を強化すること。
• トップクォークおよびヒッグスボソンを含むエンタングルド最終状態を特定するための運動量再構成技術を適用すること。
• モンテカルロイベント生成および検出器シミュレーションを用いて、信号および標準模型のバックグラウンドをモデル化すること。
• 主要なQCDおよびDrell-Yanバックグラウンドを抑制するために最適化されたトポロジカルおよび運動量カットを実装すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3世代スクアーカー対生成に起因するエンタングルド最終状態は、トポロジカルおよび運動量的シグネチャを用いて効果的に分離可能か？
• RQ2 最終状態にヒッグスボソンの崩壊を含めることで、信号対バックグラウンドの識別性はどのように向上するか？
• RQ3 13 TeVの中心系エネルギー下での制限付きMSSMにおける3世代スクアーカーのLHCの感度到達範囲は何か？
• RQ4 主要なQCDおよびDrell-Yanバックグラウンドが存在する状況で、どの運動量変数およびトポロジカルカットが信号の有意性を最大化するか？
• RQ5 ストップおよびスバットム粒子の崩壊チェインは、LHCで検出可能なエンタングルドトポロジーの形成にどのように寄与するか？

主な発見

• 最終状態にヒッグスボソンの崩壊を含めることで、3世代スクアーカー信号のトポロジカルな特徴が顕著に向上する。
• トップクォークおよびヒッグスボソンを含むエンタングルド最終状態は、主要なQCDおよびDrell-Yanバックグラウンドと信号を区別する強力なシグネチャを提供する。
• 最適化されたトポロジカルおよび運動量カットを用いることで、特にストップおよびスバットム対生成の文脈で信号の有意性が向上することを実証した。
• 解析結果から、LHCは制限付きMSSMにおいて3世代スクアーカーの顕著な発見可能性を有しており、特定のパラメータ領域ではスクアーカー質量が1.5 TeVを超える場合でも感度が保たれることを示した。
• 実際の光度および検出器条件下で、ストップおよびスバットム質量が1.8 TeV未満のベンチマークポイントに対して、提案された探索戦略は5σを超える信号の有意性を達成した。
• トップクォークおよびヒッグスボソンの運動量再構成により、バックグラウンド寄与が効果的に抑制され、最適化された領域では信号対バックグラウンド比が3～5倍向上した。