[論文レビュー] Exotic Stop Decay at the LHC

Jonathan Eckel, Shufang Su+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、バン型LSPと軽いウィノまたはヒッグスイノNLSPを伴う超対称モデルにおける、特異なトップ squark の崩壊モードを調査し、$ ilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ や $ ilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$ といった混合崩壊チャネルを特定し、$bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ のオーダーを示す。14 TeV LHCで300 fb$^{-1}$のデータ量において、95%信頼水準で1040 GeVまでのトップスカークの除外限界が得られ、5$\sigma$の発見限界は940 GeVまで達する。

ABSTRACT

Current searches for the top squark mostly focus on the decay channels of $ ilde{t}_1 ightarrow t \chi_1^0$ or $ ilde{t}_1 ightarrow b \chi_1^\pm ightarrow bW \chi_1^0$, leading to $tt/bbWW+ ot\mathrel{E}_T$ final states for top squark pair production at the LHC. In supersymmetric scenarios with light gauginos other than the neutralino lightest supersymmetric particle (LSP), different decay modes of the top squark could be dominant, which significantly weaken the current top squark search limits at the LHC. Additionally, new decay modes offer alternative discovery channels for top squark searches. In this paper, we study the top squark and bottom squark decay in the Bino-like LSP case with light Wino or Higgsino next-to-LSPs (NLSPs), and identify cases in which additional decay modes become dominant. We also perform a collider analysis for top squark pair production with mixed top squark decay final states of $ ilde{t}_1 o t {\chi}_2^0 o th {\chi}_1^0$, $ ilde{t}_1 o b {\chi}_1^\pm o bW {\chi}_1^0 $, leading to the $bbbbjj\ell+ ot\mathrel{E}_T$ collider signature. The branching fraction for such decay varies between 25\% and 50\% for a top squark mass larger than 500 GeV with $M_2=M_1+150$ GeV. At the 14 TeV LHC with 300 ${ m fb}^{-1}$ integrated luminosity, the top squark can be excluded up to about 1040 GeV at the 95\% C.L., or be discovered up to 940 GeV at 5$\sigma$ significance.

研究の動機と目的

• バン型LSPと軽いウィノまたはヒッグスイノ次にLSP（NLSP）を伴う超対称モデルにおける、トップクォークやボトムクォークスカークの新しい主要な崩壊モードを同定すること。
• これらの特異な崩壊モードが、現在のLHCにおけるトップスカーク探索限界を弱体化させる影響を評価すること。
• 標準的な$tt/bbWW+\cancel{E}_T$最終状態とは異なる、トップスカークの代替発見チャネルを探索すること。
• 14 TeV LHCにおける混合崩壊最終状態を伴うトップスカーク対生成の発見可能性を評価すること。

提案手法

• バン型LSPと軽いウィノまたはヒッグスイノNLSPを伴う超対称モデルを分析し、トップスカークの崩壊分岐比を特定する。
• 特定の質量領域において、$\tilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ および $\tilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$ の崩壊チェーンが主要モードであることを評価する。
• 最終状態に$bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ を含むトップスカーク対生成のコライダー解析を実施する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて信号イベントをモデル化し、$bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ シグネチャのバックグラウンド寄与を推定する。
• 標準的なLHC探索解析技術（運動量カットや信号領域最適化など）を適用する。
• トップスカーク質量が1040 GeVまでの範囲で、95%信頼水準における除外限界と5$\sigma$の発見有意水準を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バン型LSPの下で次にLSP（NLSP）が軽いウィノまたはヒッグスイノである場合、トップスカークの主要な崩壊モードは何か？
• RQ2 これらの特異な崩壊モードは、現在のLHCトップスカーク探索の感度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 14 TeV LHCにおける$bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 最終状態におけるトップスカークの発見可能性は何か？
• RQ4 300 fb$^{-1}$の統計量のもとで、95%信頼水準または5$\sigma$の有意水準において、除外または発見可能なトップスカーク質量の最大値は何か？
• RQ5 トップスカーク質量および$M_2 = M_1 + 150$ GeVの条件下で、混合崩壊モードの分岐比はどのように変化するか？

主な発見

• トップスカーク質量が500 GeVを超える領域では、混合崩壊モード$ ilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ および $ ilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$ の分岐比は25%から50%の間で変動する。
• $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 最終状態は、特異な崩壊状況におけるトップスカークの有効な発見チャネルを提供する。
• 14 TeV LHCで300 fb$^{-1}$の統計量を用いることで、95%信頼水準で1040 GeVまでのトップスカークの除外が可能である。
• 同じ解析により、5$\sigma$の発見限界は940 GeVまで達する。
• これらの結果は、特異な崩壊モードが支配的である場合、現在のLHC探索が著しく弱体化することを示しており、新たな探索戦略の必要性を示している。
• 本研究は、特に軽いNLSPを伴うモデルにおいて、今後のトップスカーク探索において混合崩壊チャネルを考慮することが重要であることを強調している。