[論文レビュー] PhD Thesis - Topics in SUSY Phenomenology at the LHC

Roger H. K. Kadala|arXiv (Cornell University)|May 7, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本博士論文は、逆転したスキュークォーク質量階層を持つモデルにおける、LHCにおける超対称性（SUSY）の素粒子物理学的現象を調査しており、特に第三世代のスキュークォークの検出感度を向上させるためにbタギングおよびトップタギングを用いる。本研究では、bジェットタギングがLHCのSUSY信号に対する探索範囲を顕著に向上させることを示しており、特に軽いトップおよびボトムスキュークォークに対して顕著である。また、ローレンツ不変量とカイ二乗フィッティングを用いて、双レプトン質量分布から中性ノー質量行列のパラメータをモデルに依存しない方法で抽出する手法を提案し、混合ヒッグスイノ-ゲージノー状況においても有望な結果を得た。

ABSTRACT

This dissertation focuses on phenomenological studies for possible signals for supersymmetric events at the Large Hadron Collider (LHC). We have divided our endeavours into three separate projects. First, we consider SUSY models where the gluino production at the LHC should be rich in top and bottom quark jets. Requiring $b$-jets in addition to missing energy $\eslt$ should, therefore, enhance the supersymmetry signal relative to Standard Model backgrounds. We quantify the increase in the supersymmetry reach of the LHC from $b$-tagging in a variety of well-motivated models of supersymmetry. We also explore $top$-tagging at the LHC. Second, we explore the prospects for detecting the direct production of third generation squarks in models with an inverted squark mass hierarchy. This is signalled by $b$-jets + $\eslt$ events harder than in the Standard Model, but softer than those from the production of gluinos and heavier squarks. We find that these events can be readily separated from SM background (for third generation squark masses in the 200-400 GeV range), and the contamination from the much heavier gluinos and squarks although formidable can effectively be suppressed. Third, we attempt to extract model-independent information about neutralino properties from LHC data. assuming only the particle content of the MSSM and that all two-body neutralino decays are kinematically suppressed, with the neutralino inclusive production yielding a sufficient cross section. We show that the Lorentz invariant dilepton mass distribution encodes clear information about the relative sign of the mass eigenvalues of the parent and daughter neutralinos. We show that we can extract most neutralino mass matrix parameters if there is a double mass edge.

研究の動機と目的

• 逆転したスキュークォーク質量階層を持つモデルにおいて、bジェットおよびトップジェットタギングを活用することで、LHCの超対称性信号に対する感度を向上させること。
• mSUGRAおよび非一様なヘッジス質量モデルを含む、妥当性の高いSUSYモデルにおけるbタギングによるSUSY発見探索範囲の向上を定量すること。
• 200–400 GeVの質量を有する第三世代スキュークォークが、逆転した質量階層状況下で直接検出可能かどうかを検討すること。
• 運動論的に抑制された2体崩壊を仮定した場合、双レプトン質量スペクトルから中性ノーの性質に関するモデルに依存しない情報を抽出可能かどうかを検討すること。
• ローレンツ不変双レプトン質量分布とカイ二乗フィッティングを用いて、MSSM中性ノー質量行列パラメータを制約する手法の開発および検証すること。

提案手法

• イベント生成にMADGRAPH、パートンシャワイングおよび検出器シミュレーションにPYTHIAを用いたSUSYイベントのシミュレーション。
• 逆転した質量階層を持つモデルにおける第三世代スキュークォーク信号を分離するために、bタギングおよびトップタギングアルゴリズムを適用。
• 中性ノー質量固有状態の性質、特に質量固有値の相対的符号を特定するためのプローブとして、ローレンツ不変双レプトン質量分布を用いた。
• 双レプトン質量スペクトルと中性ノー質量行列要素との関係を導くために、Fierz変換を崩壊振幅に適用。
• 双レプトン質量分布に対するカイ二乗フィッティングを実施し、M1、M2、µ、tanβのMSSMパラメータに対する制約を導出。他のパラメータは周辺化処理を施した。
• 標準模型（SM）のバックグラウンドを抑制し、信号感度を向上させるために、レプトンpTカット（0 GeVおよび6 GeV）を導入。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 bタギングは、逆転したスキュークォーク質量階層を持つモデルにおいて、LHCのSUSY信号探索範囲をどの程度向上させるか？
• RQ2 200–400 GeVの質量を有する第三世代スキュークォークが、SMおよびより重いSUSYのバックグラウンドが存在する中で、bジェット＋Emiss_Tシグネチャを用いて直接検出可能か？
• RQ3 ローレンツ不変双レプトン質量分布は、MSSMにおける中性ノー質量固有値の相対符号に関する情報を符号化できるか？
• RQ4 運動論的端点を用いた双レプトン質量スペクトルのみから、MSSM中性ノー質量行列パラメータ（M1、M2、µ、tanβ）にどの程度の制約を課せるか？
• RQ5 2体崩壊が抑制された圧縮SUSYスペクトルに適用した場合、中性ノーパラメータのフィッティング手法はどの程度の頑健性を示すか？

主な発見

• bタギングは、逆転したスキュークォーク質量階層を持つモデルにおいて、LHCのSUSY信号探索範囲を顕著に向上させ、特に軽いトップおよびボトムスキュークォークに対して顕著である。
• 第三世代スキュークォークが200–400 GeVの質量範囲にあれば、bジェットおよび運動量未測定エネルギー（Emiss_T）を伴うイベントは、標準模型のバックグラウンドから効果的に分離可能である。
• 最適化された解析カットを用いることで、より重いグルーギノおよびスキュークォークからの汚染を抑制でき、クリアな信号抽出が可能である。
• ローレンツ不変双レプトン質量分布は、親および娘の中性ノー質量固有値の相対符号に関する情報を符号化しており、モデルに依存しない制約が可能である。
• 混合ヒッグスイノ-ゲージノー状況下で二重質量エッジが観測される好都合な状況では、カイ二乗フィッティング手法によりMSSMパラメータが良好に回復された：M1 = −95 to −58 GeV、M2 = 360 to 475 GeV、µ = 87 to 127 GeV、tanβは制約が得られなかった。
• Zボソン交換は、双レプトンスペクトルにおいてスlepton交換を模倣する可能性があり、このデゲネラシーを解消するには追加のデータが必要となる可能性がある。