[論文レビュー] Measuring the Stau Minus Neutralino Mass Difference in Co-annihilation Scenarios at the LHC

R. Arnowitt, A. Aurisano+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるスピン特異的共崩壊状況下で、τレプトンの断末を用いて、stau–ニュートラリノ質量差（dM）とグルーギノ質量（Mg）を測定する手法を提案する。3τ + ジェット + E_T^miss 終状態を、微分的なτエネルギーのしきい値を用いて分析することで、30 fb⁻¹のデータ量でdMを15%、Mgを6%の精度で測定可能であることを示している。この目的を達成するための2つの観測量として、反対符号τペアと同符号τペアの数え上げと、ditauのインバリアント質量ピークを用いる。

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 allowed parameter space 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 = 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

• LHCデータを用いて、mSUGRA共崩壊領域におけるstau–最軽いニュートラリノ質量差（dM）とグルーギノ質量（Mg）を決定すること。
• WMAPの冷たい暗黒物質制約と整合する小規模なdM値（5–15 GeV）を測定する課題に対処すること。
• グルーギノおよびスクアーキューブの対生成から生じるτレプトンの断末を用いて、dMとMgを同時に抽出する手法を開発すること。
• 微分的なエネルギーしきい値を用いたインクルーシブ3τ + ジェット + E_T^miss 終状態を活用し、dMとMgへの感度を高めること。
• τペア統計とインバリアント質量分布から導かれる観測量を用いて、dMとMgを高精度で測定可能であることを検証すること。

提案手法

• 共崩壊領域におけるグルーギノおよびスクアーキューブ対生成から生じるインクルーシブ3τ + ジェット + E_T^miss 終状態を分析する。
• 信号選別を最適化するために、2つのτに高い横方向エネルギーしきい値を、第3のτに低いしきい値を適用する。
• 反対符号τペアと同符号τペアの数の差を、dMに感受性を持つ主要な観測量として用いる。
• ditauインバリアント質量分布のピークを、dMとMg抽出のための第二の独立観測量として測定する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、崩壊チェーンN2 → τ stau → τ τ N1をモデル化し、最終状態を再構築する。
• 2つの観測量（τペア統計とditau質量ピーク）の結合フィットを実行し、dMとMgの不確実性を含めた抽出を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるτレプトン終状態を用いて、共崩壊領域でstau–ニュートラリノ質量差（dM）を高精度で測定可能か？
• RQ2 同じ終状態を用いて、dMと同時にグルーギノ質量（Mg）をどの程度まで特定できるか？
• RQ3 反対符号対 vs. 同符号τペアの数と、ditauインバリアント質量ピークは、dMとMg抽出のための独立観測量としてどれほど有効か？
• RQ4 dM = 9 GeV、Mg = 850 GeVのベンチマーク点に対して、30 fb⁻¹のデータ量でdMとMgの期待される精度はどの程度か？
• RQ5 この手法は、WMAPの暗黒物質制約と整合する小規模なdM値（5–15 GeV）を区別できるか？

主な発見

• 30 fb⁻¹のデータ量で、ベンチマーク値dM = 9 GeVに対して、stau–ニュートラリノ質量差（dM）を15%の精度で測定可能である。
• ベンチマーク値Mg = 850 GeVに対して、グルーギノ質量（Mg）を6%の精度で特定可能である。
• 反対符号対 vs. 同符号τペアの数え上げと、ditauインバリアント質量ピークの組み合わせにより、dMとMgを同時に抽出するのに十分な感度が得られる。
• この手法は、dMが小さい（5–15 GeV）共崩壊領域において、WMAPの冷たい暗黒物質測定と整合する。
• 3つのτに対して微分的なエネルギーしきい値を適用することで、信号対バックグラウンド比が向上し、質量測定の分解能が向上する。
• 結果として、LHCにおけるτ終状態を用いた高精度な共崩壊領域の探査が可能であることが示された。