[論文レビュー] Non-trivial Supersymmetry Correlations between ATLAS and CMS Observations

Tianjun Li, James A. Maxin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ATLASおよびCMSの5 fb⁻¹の全ハドロン型超対称性（SUSY）探索における非自明な相関、特にストラーンスバーチカル質量変数 $M_{T2}$ を用いた分析から、LHCにおける真正のSUSY信号を示唆している。$\tilde{F}$-SU(5)ノスケールGUTモデルにベクトルレプリカ型flipponを導入した場合、$χ^2$フィットにより両実験で一貫したSUSY質量スケール $M_{1/2} \approx$ 610–655 GeVが得られ、標準模型の背景では説明できない非ランダムな信号である可能性が強く示唆される。

ABSTRACT

We present definite correlations between the CMS 5 \fb all-hadronic search employing the stransverse mass variable $M_{T2}$ and the ATLAS 5 \fb all-hadronic and multijet supersymmetry (SUSY) searches, suggesting the possibility that both the ATLAS and CMS experiments are already registering a faint but legitimate SUSY signal at the LHC. We isolate this prospective mutual productivity beyond the Standard Model in the framework of the supersymmetric No-Scale Flipped $SU$(5) grand unified theory, supplemented with extra vector-like matter (flippons). Evident overproduction is observed in three CMS \mt2 and four ATLAS hadronic and multijet signal regions, where a \x2 fitting procedure of the CMS 5 \fb \mt2 search establishes a best fit SUSY mass in sharp agreement with corresponding ATLAS searches of equivalently heightened signal significance. We believe this correlated behavior across two distinct experiments at precisely the same SUSY mass scale to be highly non-trivial, and potentially indicative of an existing 5 \fb LHC reach into a pervasive physical supersymmetry framework.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSの5 fb⁻¹全ハドロン型SUSY探索における観測されたイベント過剰が、ランダムな背景揺らぎではなく、同一のSUSY信号に起因するかを調査すること。
• ベクトルレプリカ型flipponを含む拡張されたノスケールフラッペッド $SU(5)$ 重力統一理論と、これらの過剰が整合するかを検証すること。
• 複数の探索戦略を統合した一様な $\chi^2$ フィッティング手順を用いて、ATLASおよびCMSの信号領域間の定量的相関を確立すること。
• 両実験における観測された信号の有意水準と質量スケールが共通のSUSYスケールを示しており、非自明な物理的相関を支持するかを特定すること。
• 現在の7 TeVデータの相関をもとに、近い将来の8 TeV LHCランでSUSY信号の明確な確認が可能かどうかを予測すること。

提案手法

• S/\sqrt{B+1} > 1.0 を満たすATLASおよびCMSの信号領域に対して $\chi^2$ フィッティング手順を適用し、共通のSUSY質量スケールとの整合性を評価する。
• 信号の有意水準は $S/\sqrt{B+1}$ を用いて定量化され、幅広い相関する探索を含めるために1.0を閾値として設定している。
• 観測された過剰を解釈する理論的枠組みとして、追加のベクトルレプリカ型flipponを含むノスケールフラッペッド $SU(5)$ GUTモデルが用いられている。
• ATLAS（マルチジェットおよび全ハドロン型）とCMS（$M_{T2}$ を用いた全ハドロン型）の5 fb⁻¹データを統合し、$M_{T2}$ および $H_T$ 依存の信号領域に注目している。
• 各実験内での相関するイベント選択を単一の統計的単位に要約するために、合成自由度が用いられ、$\chi^2$ 分析における重複を低減している。
• 累積分布関数を用いて、$M_{1/2}$ パラメータの95%および99%信頼区間（1σおよび2σ）を導出し、ゲージノ質量スケールの下限を推定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLASおよびCMSの5 fb⁻¹全ハドロン型SUSY探索における観測されたイベント過剰は、実験間で統計的に有意な相関を示しているか？
• RQ2 観測された信号過剰は、ベクトルレプリカ型flipponを含むノスケールフラッペッド $SU(5)$ GUTモデルにおける単一のSUSY質量スケールと整合するか？
• RQ3 両実験にわたる統一された $\chi^2$ フィットにより、過去の1–2 fb⁻¹のフィット結果と重複する一貫性のある $M_{1/2}$ 質量スケールが得られるか？
• RQ4 両実験における信号の有意水準が十分に高く、かつ相関しているため、2σレベルでランダムな背景揺らぎでは説明できないと結論づけられるか？
• RQ5 観測された相関は、実際に存在するSUSY信号を示しており、近い将来の8 TeV LHCランで確認される可能性があるか？

主な発見

• CMSの $M_{T2}$ を用いた信号領域の4つのうち3つが顕著な過剰を示している：$S/\sqrt{B+1} = 2.22$（低 $H_T$、$M_{T2} \geq 200$ GeV）、$2.06$（$M_{T2}b$、低 $H_T$）、$1.36$（高 $H_T$、$M_{T2} \geq 150$ GeV）。
• ATLASのマルチジェットおよび全ハドロン型信号領域の4つが $S/\sqrt{B+1} > 1.0$ の閾値を超えていた：7j80（$2.07$）、8j55（$1.18$）、SRC Tight（$3.22$）、SRE Loose（$2.65$）。
• $\chi^2$ フィットにより、ATLASでは $M_{1/2} > 614$ GeV（2σ下限）、CMSでは $M_{1/2} > 608$ GeV（2σ下限）が得られ、中央値での交差はATLASで671 GeV、CMSで661 GeVであった。
• $\chi^2$ 分析による最良フィットの $M_{1/2}$ 範囲は、過去の1–2 fb⁻¹のフィット結果 $M_{1/2} = 610$ GeV と著しく重複しており、データセット間の一貫性が示された。
• 複数の探索戦略および信号領域にわたるATLASとCMS間の相関は、非常に非自明であり、ランダムな背景揺らぎによって生じるとは考えにくい。
• 著者らは、8 TeV LHCランで $\sim$15 fb⁻¹のデータが得られれば、$M_{T2}$ およびマルチジェット探索の相関的証拠が強まるため、SUSY信号が明確に確認されると予測している。