[論文レビュー] Measurement of the Stau Minus Neutralino Mass Difference and Mgluino in the Co-Annihilation Region at the LHC

R. Arnowitt, A. Aurisano+6 more|ArXiv.org|Aug 17, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるスピン特異的共崩壊領域で、包含的3τ + ジェット + E~T最終状態を用いて、ストー・ニュートラリノ質量差（ΔM）とグルーギノ質量（M~g）を同時に測定する手法を提案する。逆符号/同符号τペアの数と、二体τのインバリアント質量分布のピークを分析することで、30 fb⁻¹のデータ量でΔM = 9 GeV、M~g = 850 GeVのベンチマーク点において、ΔMを15%、M~gを6%の精度で測定可能であることを示している。

ABSTRACT

We study the prospects for the measurement of the stau - lightest neutralino mass difference (dM) and the gluino mass (Mg) in the supersymmetric co-annihilation region at the LHC using tau leptons. Recent WMAP measurements of the amount of cold dark matter and previous accelerator experiments indicate that the coannihilation region of mSUGRA is characterized by a small dM (5-15 GeV). Focusing on taus from N2 -> tau stau -> tau tau N1 decays in gluino and squark production, we consider inclusive 3 tau+jet+missing Et production, with two taus above a high Et threshold and a third tau above a lower threshold. Two observables, the number of opposite-signed tau pairs minus the number of like-signed tau pairs and the peak of the ditau invariant mass distribution, allow for the simultaneous determination of dM and Mg for dM >5 GeV. For example, for dM = 9 GeV and Mg =850 GeV and with 30 fb^-1 of data, we can measure dM to 15% and Mg to 6%.

研究の動機と目的

• mSUGRAの共崩壊領域において、LHCでストー・ニュートラリノ質量差（ΔM）とグルーギノ質量（M~g）を同時に測定する手法を開発すること。
• ストー崩壊からのτレプトンが低横運動エネルギーを示すため、標準的な質量再構成が困難になる状況において、これらの質量を測定する挑戦に応えること。
• 軽いニュートラリノがダークマター候補であるかどうかを確認できる、ΔMとM~gの高精度測定を提供すること。
• この手法が将来のILC測定と競合可能であることを示し、特にILCが高エネルギーオプションを備えない場合、M~gを測定できない可能性がある点を踏まえて検証すること。

提案手法

• グルーギノおよびスクアーカー対生成からの包含的3τ + ジェット + E~T最終状態を用い、χ̃₂⁰がτχ̃₁⁰を経由して崩壊するイベントに注目する。
• 2つの主要な観測量を用いる：逆符号τペア数から同符号τペア数を引いた量（NOS−LS）、および二体τのインバリアント質量分布のピーク（Mττpeak）。
• これらの観測量はΔMおよびM~gの両方に敏感であり、2つのパラメータに依存する関係を通じて、同時に決定可能である。
• 独立して測定されたM~g（5%の精度を仮定）に起因する系arness誤差は、M~gを±5%の範囲で変動させ、観測量への影響を伝搬させることで取り入れる。
• モンテカルロシミュレーションを用いて手法の妥当性を検証し、τの識別性能を20 GeV以上の横運動エネルギーまで効率よく保つと仮定する。
• 結果は、光度およびΔMの関数として提示され、高光度では統計誤差が支配的であり、低光度では系arness誤差が支配的であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける3τ + ジェット + E~T最終状態を用いて、共崩壊領域でストー・ニュートラリノ質量差（ΔM）とグルーギノ質量（M~g）を同時に測定可能か？
• RQ2 統合光度30 fb⁻¹の条件下で、ΔMとM~gの測定精度はどの程度か？
• RQ3 NOS−LSおよびMττpeakという2つの観測量は、ΔMに対して独立した制約を提供できるか？両者の組み合わせによる性能はいかがなっているか？
• RQ4 特に、5%の精度を仮定したM~g測定からの系arness誤差が、最終的なΔMの不確実性に及ぼす影響は何か？
• RQ5 ILCの測定と比較して、この手法はΔMを決定する上で競争力を持つだろうか？特に、ILCが高エネルギーオプションを持たない場合、M~gを測定できない可能性があることを踏まえて検証する。

主な発見

• 30 fb⁻¹のデータ量で、ΔM = 9 GeV、M~g = 850 GeVのベンチマーク点において、ストー・ニュートラリノ質量差ΔMを15%の精度で測定可能である。
• 同じ条件下でグルーギノ質量M~gも6%の精度で測定可能であり、グルーギノ質量スケールに対する高い感度を示している。
• 仮定されたM~g測定（5%精度）に起因する系arness誤差が、特に低光度域で最終的なΔM不確実性を支配しており、主要要因となっている。
• NOS−LSおよびMττpeakという2つの独立した測定結果を組み合わせることで、ΔMの総不確実性が低減され、系arness効果を考慮した上で30 fb⁻¹で12%の精度にまで向上する。
• 10 fb⁻¹でもこの手法は系arness制限のままであり、より高い精度を得るためには、検出器性能の向上および解析最適化が不可欠であることが示された。
• ΔM > 5 GeVの範囲ではこの解析がロバストであり、共崩壊領域を有する他のSUGRAモデルおよび十分なχ̃₂⁰生成率を持つモデルにも適用可能である。