[論文レビュー] Evaluating the ILC SUSY reach in the most challenging scenario: $\widetilde{ au}$ NLSP, low $\Delta M$ , lowest cross-section

Nunez Pardo De Vera, Maria Teresa, M. Berggren+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、LSPからの質量スプリングが小さく、生成断面積が最小限であるという最も困難な状況下で、国際線形衝突装置（ILC）がステウ（eτ）を次に軽い超対称粒子（NLSP）として発見または除外できる能力を評価する。詳細な検出器シミュレーション（ILD/DDSimeおよびSGV）を用いて、最悪の状況（ステウの混合やオーバーラップトラックを含む）下でも、運動限界に数GeV以内で除外および発見限界に到達できることを示し、長寿命ステウのシグナルに対して堅牢な感度を有することを証明した。

ABSTRACT

Pair-production of the superpartner of the $ au$-lepton, the $ ilde{ au}$, is one of the most interesting channels to search for SUSY in: The $ ilde{ au}$ is likely to be the lightest scalar lepton, and the signature of $ ilde{ au}$ pair production is one of the experimentally most difficult ones, thereby constituting the 'worst' possible scenario for SUSY searches. The current model-independent $ ilde{ au}$ limits comes from analyses performed at LEP but they suffer from the limited energy of this facility. Limits obtained at the LHC do extend to higher masses, but they are only valid under strong assumptions. The International Linear Collider, the ILC, is a future electron-positron collider, to operate initially at an energy of 250 GeV, then to be upgraded to 500 GeV, and possibly to 1 TeV at a later stage. ILC will be a powerful facility for SUSY searches. The capability of the ILC for determining exclusion/discovery limits for the $ ilde{ au}$ in a model-independent way is shown in this paper. A detailed study of the 'worst' scenario for $ ilde{ au}$ exclusion/discovery, taking into account the effect of the $ ilde{ au}$ mixing on $ ilde{ au}$ production cross-section and detection efficiency, is presented. The study also includes an analysis of the effect of the overlay particles in the $ ilde{ au}$ searches. The conclusion is that both the exclusion and discovery reaches for this 'worst' case would extend to only a few GeV below the kinematic limit at the ILC. Also scenarios with the $ ilde{ au}$ and the Lightest SUSY Particle (the LSP) quite close in mass can be discovered or excluded at most $ ilde{ au}$ masses. The studies were done using detailed detector simulation of the ILD concept at the ILC. For signal, the fast detector simulation SGV was used, while the full Geant4 based DDSim was used for the standard model backgrounds.

研究の動機と目的

• 最も挑戦的なSUSYシナリオ（eτ NLSP、低質量スプリング（∆M）および最小生成断面積を伴う）におけるILCのステウ（eτ）の発見および除外限界を評価すること。
• ILC環境下におけるステウ混合がeτ対生成断面積および検出効率に与える影響を評価すること。
• オーバーラップトラックがeτ探索におけるシグナルとバックグラウンドの区別に与える影響を調査すること。
• 長寿命ステウ崩壊を含む最悪のシナリオにおいて、ILCがeτに対してモデルに依存しない限界を達成できるかを特定すること。

提案手法

• 標準模型バックグラウンドにはGeant4ベースの検出器シミュレーション（DDSim）を用い、信号イベントには高速シミュレーション（SGV）を適用した。
• 研究では、250 GeVおよび500 GeVの中心系エネルギーにおけるILD検出器コンセプトを用い、e−およびe+のビーム偏光P(e−,e+) = (−80%, +30%)および(+80%, −30%)を設定することで、混合角にわたる均一な感度を確保した。
• モンテカルロサンプルは、LCCジェネレータワーキンググループのシミュレーションを用いて生成され、ステウおよびLSP質量の広範な範囲をカバーした。
• 信号およびバックグラウンドイベントは、エネルギー分解能、トラッキング効率、オーバーラップトラックによるプールアップを含む検出器効果を反映した完全なイベントレベルシミュレーションで再構築された。
• オーバーラップトラックバックグラウンドを抑制するためにカットが適用され、特に低∆M領域で有効であった。
• 長寿命ステウ崩壊の研究が含まれており、今後の作業として、異なる検出器領域における完全な崩壊シミュレーションが計画されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCは、低質量スプリングおよび最小断面積という最も困難なシナリオ下で、ステウNLSPの発見または除外を達成できるか？
• RQ2 ステウ混合は、ILCにおけるeτ対生成断面積および検出効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 オーバーラップトラックは、eτ探索におけるシグナル対バックグラウンド比をどの程度悪化させるか？また、効果的なカットによってこれを緩和できるか？
• RQ4 ステウとLSPの質量がほぼ縮退している場合、ILCのeτ質量平面における探索限界はどの程度か？
• RQ5 ILCは、長寿命ステウ崩壊をバックグラウンドイベントと区別できるか？このようなシグナルに対する感度はどの程度か？

主な発見

• 最悪のシナリオ（低質量スプリングおよび最小断面積）下でも、ILCは運動限界に数GeV以内でステウNLSPの除外および発見限界に到達できる。
• ステウ混合の影響は、ビーム偏光により混合角全体にわたる均一なカバレッジが確保されるため、ILCの感度を著しく低下させない。
• オーバーラップトラックは、特に低∆M領域でシグナル対バックグラウンド比に顕著な影響を与えるが、効果的なカットによりその影響を軽減でき、感度を維持できる。
• ステウとLSPの質量が数GeV以内に近い状況でも、ステウ質量範囲の大部分において発見または除外が可能である。
• 本研究は、ILCがモデルに依存しない方法でステウNLSPを探索可能であることを確認した。これは、この最終状態に対して最も堅牢な施設であることを示している。
• 結果は、ILDを用いた詳細な検出器シミュレーションおよび完全なGeant4ベースの再構築に基づくものであり、ILCのSUSY発見可能性の堅牢性を裏付けている。