[論文レビュー] Model-Independent SUSY Masses from 4-Lepton Kinematic Invariants at the LHC

Peisi Huang, N. Kersting+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける4レプトン終状態からの7つの不変質量端値を用いて、モデルに依存しない方法で超対称性（SUSY）スパーティクル質量を決定する手法を提案する。H/A → χ̃⁰ᵢχ̃⁰ⱼ → l₁⁻l′₁⁺l₂⁻l′₂⁺ → 4l崩壊における運動量端値を分析することで、解析的公式を導出し、300 fb⁻¹の統合した光度条件下で、質量が約30%の範囲内に制約され、特に1つの質量が5%の精度で既知であれば、さらに大幅に改善されることを示している。

ABSTRACT

It is well known that finding and measuring the masses of supersymmetric particles (sparticles) at the Large Hadron Collider (LHC) may be possible using invariant mass distributions in exclusive channels of N observable final state particles. Typically this has been done for N ≤ 3 which only gives 3 or fewer independent invariant masses; we extend this programme to N = 4 which then gives 7 invariant masses and therefore potentially more constraints on sparticle masses. In the case of heavy Higgs decays to four isolated leptons pp → H/A → ˜χ 0 i ˜χ0 j → ˜ ± l1 l1 ∓˜ l2 l2 ∓ → l1 ∓ l ′ ± 1 l2 ∓ l ′ ± 2 ˜χ 0 1˜χ 0 1 we derive analytical formulae for all invariant mass endpoints. We test the ability to invert these and find sparticle masses at three different MSSM parameter points including Snowmass SPS1a where i = j and both sleptons have approximately the same mass. Assuming 300 fb−1 of LHC integrated luminosity, endpoint constraints only roughly determine the masses of the H/A, ˜χ 0 j,1 and ˜l ± to within 30% on average. However if one of these is already known within 5%, the other three may be found to equal or better accuracy. Correlation between dilepton invariant mass pairs (i.e. a ’wedgebox ’ plot) ensures model-independent results. 1

研究の動機と目的

• 終状態レプトン数N ≤ 3からN = 4に拡張することで、スパーティクル質量に対する制約を強化すること。
• 重いヒッグスおよびスleptonを含む4レプトン崩壊チェーンにおける、すべての7つの独立した不変質量端値の解析的公式を導出すること。
• LHCにおける端値測定を用いた、モデルに依存しないスパーティクル質量再構成の可能性を検証すること。
• MSSMフレームワーク下で、既知の質量入力が再構成された質量の精度に与える影響を評価すること。
• 二重レプトン不変質量相関（ウェッジボックス図）を用いることで、堅牢でモデルに依存しない結果を得ることを検証すること。

提案手法

• pp → H/A → χ̃⁰ᵢχ̃⁰ⱼ → l₁⁻l′₁⁺l₂⁻l′₂⁺ → 4lの4レプトン崩壊チェーンにおける、すべての7つの独立した不変質量端値の解析的表現を導出する。
• 特定のSUSYモデルを仮定せずに、スパーティクル質量を再構成するための端値運動学を適用する。
• モデルの独立性を保証するために、相関した二重レプトン不変質量のウェッジボックス図を用いる。
• Snowmass SPS1aを含む3つのMSSMベンチマーク点で、モンテカルロシミュレーションを実施し、再構成精度をテストする。
• 300 fb⁻¹の統合光度条件下で、現実的なLHC条件における質量再構成精度を評価する。
• 端値公式を逆算してスパーティクル質量を推定し、入力精度に基づく不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4レプトン終状態における7つの独立した不変質量端値は、モデルに依存しないスパーティクル質量決定に十分な制約を提供できるか？
• RQ2 300 fb⁻¹のデータ条件下で、H/A、χ̃⁰₁、およびスlepton質量はどの程度の精度で再構成可能か？
• RQ3 1つのスパーティクル質量が5%の精度で既知である場合、他の3つの質量の再構成精度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 二重レプトン不変質量相関（ウェッジボックス図）は、どの程度モデルに依存しない結果を保証するか？
• RQ5 SPS1aを含むさまざまなMSSMベンチマーク点において、再構成不確実性はどのように変化するか？

主な発見

• 300 fb⁻¹の統合光度条件下では、H/A、χ̃⁰₁、およびスleptonの質量が平均して約30%の範囲内に制約される。
• 1つのスパーティクル質量が5%の精度で既知であれば、他の3つの質量は30%のベースラインと同等またはそれ以上の精度で再構成可能である。
• 相関した二重レプトン不変質量ペア（ウェッジボックス図）の使用により、モデルに依存しない質量抽出が保証される。
• 7つのすべての不変質量端値に対する解析的公式が、複数のMSSMパラメータ点で導出され、検証された。
• 特にSPS1aベンチマーク点のようなほぼ degenerate なスlepton質量の場合でも、この手法は堅牢に機能する。
• 端値の逆算により、特定のSUSYモデルの仮定に依存しないスパーティクル質量測定の有効な道筋が得られる。