[論文レビュー] Probing light bino and higgsinos at the LHC

Chengcheng Han|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、14 TeV LHCにおける簡略化されたMSSMフレームワークにおいて、軽量のビノ型LSPおよびヒッグスチン型NLSPの発見可能性を調査する。チャージノおよびニュートラリノ対生成からの三レプトン最終状態のモンテカルロシミュレーションを用い、40–60 GeVのビノ質量および160–300 GeVのヒッグスチン質量を有する領域が、300 fb⁻¹の統計的有効断面積で3σの有意水準で探査可能であることが判明した。これは、現在のウィノ型チャージノの制限が限定的であるにもかかわらず成立する。

ABSTRACT

Motivated by the naturalness, we study a simplified MSSM scenario where only the bino-like LSP and higgsino-like NLSP are light. We first scan the parameter space of this scenario, considering the constraints from the Higgs mass, flavor physics, electroweak precision measurements and dark matter experiments. Then in the allowed parameter space, we perform a Monte Carlo simulation for the $ ildeχ^\pm_1 ildeχ^0_{2,3}$ production followed by $ ildeχ^\pm_1 o W^\pm ildeχ^0_1$ and $ ildeχ^0_{2,3} o Z ildeχ^0_1$. By examining the presently available trilepton bounds on the wino-like chargino/neutralino, we find that only a narrow region $40\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_1} \lesssim 50\, m{GeV}$ and $160\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_{2,3}} \lesssim 170\, m {GeV}$ on the plane of $m_{ ildeχ^0_1}-m_{ ildeχ^0_{2,3}}$ can be excluded. Finally, we explore the potential of trilepton signature in probing such a scenario at 14 TeV LHC and find that the region with $40\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_1} \lesssim 60\, m {GeV}$ and $160 m {GeV}\,\lesssim m_{ ildeχ^0_{2,3}} \lesssim 300\, m{GeV}$ can be covered at $3σ$ level with luminosity ${\cal L}=300$ fb$^{-1}$.

研究の動機と目的

• 自然性に裏付けられた簡略化されたMSSMのシナリオ、つまり軽量のビノLSPとヒッグスチンNLSPのみを有する状況を調査すること。
• ヒッグス質量、フラーバー物理学、電弱精度測定、およびダークマター制約を満たすパラメータ空間を特定すること。
• 14 TeV LHCにおけるこのシナリオの三レプトン署名の発見可能性を評価すること。
• ウィノ型チャージノ／ニュートラリノ探索の現在の実験的制限を、ヒッグスチンNLSPおよびビノLSPの文脈で再解釈すること。
• 300 fb⁻¹の統計的有効断面積を持つ将来のLHC探索における感度の到達範囲を特定すること。

提案手法

• M₁（1–100 GeV）、μ（100–300 GeV）、tanβ（3–60）のパラメータスキャンを実施し、ストップセクターのパラメータ（700–2000 GeV、−3–3 TeV）も変動させた。
• ヒッグス質量（123–127 GeV）の制約は、FeynHiggs 2.8.9およびHiggsBounds 3.8.0を用いて適用した。
• フラーバー物理学および電弱精度測定は、SuperIso v3.3を用いて2σの範囲で制約した。
• Prospino2.1を用いて$\tilde{\tilde{\chi}}^{\pm}_{1}\tilde{\chi}^{0}_{2,3}$生成のモンテカルロシミュレーションを実施し、その後の崩壊チェーンとして$\tilde{\chi}^{\pm}_{1} \to W^\pm \tilde{\chi}^{0}_{1}$および$\tilde{\chi}^{0}_{2,3} \to Z \tilde{\chi}^{0}_{1}$を想定した。
• 背景（t\bar{t}、二ボソン）は8 TeVでMadGraphでシミュレートし、実験的断面積比を用いて14 TeVにスケーリングし、10%の系統的不確実性を適用した。
• 有意水準は$ S / \sqrt{B + (0.1B)^2} $で計算され、信号および背景イベントは同一の運動量的カットを受ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス物理学、フラーバー、電弱精度、およびダークマターの実験的制限を満たす条件下で、ビノ–ヒッグスチン質量平面のどの領域が妥当であるか？
• RQ2 NLSPがウィノ型ではなくヒッグスチン型である場合、現在の三レプトン探索によるウィノ型チャージノおよびニュートラリノの制限がパラメータ空間に与える制限は何か？
• RQ3 14 TeV LHCにおいて300 fb⁻¹の統計的有効断面積を持つ場合、軽量ビノおよびヒッグスチン状態の三レプトン署名の発見可能性はどの程度か？
• RQ4 ビノLSPおよびヒッグスチンNLSPが存在する場合、ウィノ型シナリオと比較して、信号トポロジーと背景抑制にどのような影響を与えるか？
• RQ5 PLANCKのダークマターリリック密度と整合するパラメータ空間の領域は、2σまたは3σの有意水準で探査可能か？

主な発見

• 現在のウィノ型チャージノ／ニュートラリノ生成における三レプトン制限により、唯一の除外領域は$ 40\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{1}} \lesssim 50\,\text{GeV} $および$ 160\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{2,3}} \lesssim 170\,\text{GeV} $の狭い領域に限られる。
• 三レプトン署名は、300 fb⁻¹の統計的有効断面積で$ 40\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{1}} \lesssim 60\,\text{GeV} $および$ 160\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{2,3}} \lesssim 300\,\text{GeV} $の領域を3σの有意水準で探査可能である。
• WZ背景の運動量的領域に近いパラメータ空間の一部は2σ未満の有意水準にとどまるが、より高い統計的有効断面積でより探査可能になる。
• 2σのPLANCKダークマターリリック密度と整合する領域は一般的に2σの有意水準でカバーされており、一部の領域では5σの発見可能性に達する。
• 実験的スケーリング係数を用いて8 TeVのMadGraphシミュレーションを14 TeVにスケーリングすることで、背景推定が改善され、シミュレーションと実験の乖離が低減された。
• 10%の系統的不確実性に対しても有意水準は安定しており、Zを多く含む領域はWZが支配的で、Zが少ない領域はt\bar{t}背景が支配的である。