[論文レビュー] Probing Supersymmetric Dark Matter and the Electroweak Sector using Vector Boson Fusion Processes: A Snowmass Whitepaper

A. G. Delannoy, Bhaskar Dutta+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

このSnowmass白書は、14 TeV LHCにおけるベクトルボソン融合（VBF）プロセスを用いて、超対称的ダークマターおよび電弱相互作用領域を調査することを提案する。2つの前方ジャケット、運動量未検出エネルギー、およびレプトンまたはタウを含む最終状態を分析することで、LHCが1000 fb⁻¹の統合放射能でウィノダークマターを約600 GeVまで探査可能であり、2レプトン最終状態におけるチルジンォ/ニュートラリノ対の5σ質量到達域が300–400 GeVに達することを示している。

ABSTRACT

Vector boson fusion (VBF) processes at the Large Hadron Collider (LHC) provide a unique opportunity to search for new physics with electroweak couplings. Two studies are presented: (i) A search of supersymmetric dark matter in the final state of two VBF jets and large missing transverse energy is presented at 14 TeV. Prospects for determining the dark matter relic density are studied for the cases of Wino and Bino-Higgsino dark matter. The LHC could probe Wino dark matter with mass up to approximately 600 GeV with a luminosity of 1000 fb$^{-1}$. (ii) A search for the chargino/neutralino system in the final state of two VBF jets, missing transverse energy and two $τ$'s (light stau case) and light lepton $e$ and $μ$ (light slepton case). The $5 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive and opposite-sign $τ$ pairs are 250 GeV (300 GeV) and 200 GeV (250 GeV), respectively, for $ΔM \, = \, m_{ ildeτ_1} - m_{ eu{1}} \, = \, 30$ GeV. For $ΔM \, = \, 15$ GeV, the $3 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive $τ$ pairs is 180 GeV. The $5 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive and opposite-sign $μ$ pairs are approximately 350 GeV (400 GeV) and 300 GeV (350 GeV), respectively. The mass reaches in the same-sign final state cases are similar to those in the opposite-sign cases.

研究の動機と目的

• 14 TeV LHCにおけるベクトルボソン融合（VBF）プロセスを通じた超対称的ダークマターの直接生成を調査すること。
• 軽いニュートラリノ（LSP）の質量および成分を特定し、ダークマターの残存密度を推定すること。
• 2つのレプトンまたはタウを含むVBF最終状態におけるチルジンォおよびニュートラリノ対の探査を行い、トリガーおよびバックグラウンドの課題に対処すること。
• 特にカラーダイナミクスが重いスパルターを持つ場合に、VBFベースの探索が電弱スケールの超対称性にどれほど感度を持つのかを評価すること。
• VBFトリガーが、標準的なトリガーによって除外される低pT最終状態にアクセス可能であり、バイアスを低減できることを示すこと。

提案手法

• 2つの前方ジャケットが反対半球にあり、大規模なジェット対質量を持つVBFトポロジーを用いて信号イベントを同定する。
• 運動量未検出エネルギー（E_T / /）> 75 GeV、孤立レプトン（μではpT ≥ 20 GeV、eではpT ≥ 15 GeV）および緩いbボルトを適用してトップクォークバックグラウンドを抑制する。
• LSP質量に最適化されたE_T / /カットを用い、未検出エネルギー分布の形状と割合を同時にフィットする。
• 信号効率およびバックグラウンド抑制技術を用いて、標準模型（SM）プロセスからVBF生成超対称状態を分離する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、QCD補正および検出器効果を含めた信号およびバックグラウンド収率を推定する。
• 最終状態（μ、e、同符号および反符号ペア、タウレプトン）を比較し、質量差（ΔM = 15, 30 GeV）を変化させて分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeV LHCにおけるVBFプロセスは、600 GeVまでの超対称的ダークマターを探査可能か？
• RQ2 LHCは、VBFシグネチャーおよびE_T / /分布を用いて、軽いニュートラリノ（LSP）の質量および成分をどの程度正確に特定できるか？
• RQ3 2つのレプトンまたはタウを含むVBF最終状態におけるチルジンォ／ニュートラリノ対生成の5σ質量到達域はどの程度か？
• RQ4 ステウおよびニュートラリノ間の質量差（ΔM）は、到達域にどのように影響するか？
• RQ5 VBFベースのトリガーは、標準的なレプトントリガーの制限を克服し、低pT最終状態を効果的に探査可能か？

主な発見

• 14 TeVで1000 fb⁻¹の統合放射能を有するLHCは、ウィノダークマターを約600 GeVまで探査可能である。
• 100 GeVの純粋ウィノLSPに対して、500 fb⁻¹のデータで残存密度を20％以内に特定可能である。
• ΔM = 30 GeVの条件下で、300 fb⁻¹の放射能では、インクルーシブおよび反符号τペアの5σ質量到達域はそれぞれ250 GeVおよび200 GeVに達し、1000 fb⁻¹では300 GeVおよび250 GeVに上昇する。
• ΔM = 15 GeVの場合、300 fb⁻¹でインクルーシブτペアの3σ質量到達域は180 GeVに達する。
• 300 fb⁻¹でインクルーシブおよび反符号μペアの5σ質量到達域はそれぞれ約350 GeVおよび300 GeVであり、1000 fb⁻¹では400 GeVおよび350 GeVに上昇する。
• 同符号最終状態の到達域は反符号ケースと同等であり、電荷構成にかかわらず高い感度を示している。