[論文レビュー] Reconstructing CMSSM parameters at the LHC with $\sqrt{s}=14$ TeV via the golden decay channel

Andrew Fowlie, M. Kazana+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCおよび宇宙論的データと整合するCMSSMの重いストー・コアナヒレーション領域におけるベンチマーク点が、√s = 14 TeV、300 fb⁻¹の光度で、ゴールデン崩壊チャネル（クォーク超対称粒子 → スlepton → jjℓℓ̄Eₜₜ）を通じてLHCで発見可能であることを示している。モンテカルロシミュレーションと運動量端点解析を用い、スパーティクル質量が正確に測定可能であり、ベイズ的手法を用いたCMSSMパラメータの高精度な再構成が可能であることが示された。ただし、三重項項パラメータA₀については、Planckおよびヒッグス粒子質量のデータを組み込むことで改善される。

ABSTRACT

We identify a benchmark point in the CMSSM's heavy stau-coannihilation region, which is favored by experiments, and demonstrate that it could be accessible to the LHC at $\sqrt{s}=14$ TeV with 300/fb of integrated luminosity via a golden decay measurement. With Monte-Carlo, we simulate sparticle production and subsequent golden decay at the event level and perform pseudo-measurements of sparticle masses from kinematic endpoints in invariant mass distributions. We find that two lightest neutralino masses and the first and second generation left-handed slepton and squark masses could be rather precisely measured with correlated uncertainties. We investigate whether from such measurements one could determine the CMSSM's Lagrangian parameters by including a likelihood from our pseudo-measurements of sparticle masses in a Bayesian analysis of the CMSSM's parameter space. We find that the CMSSM's parameters can be accurately determined, with the exception of the common trilinear parameter. Experimental measurements of the relic density by Planck and the Higgs boson's mass slightly improve this determination, especially for the common trilinear parameter. Finally, within our benchmark scenario, we show that the neutralino dark matter will be accessible to direct searches in future one tonne detectors.

研究の動機と目的

• 現在のLHC、Planckおよびヒッグス粒子質量の制約と整合する、重いストー・コアナヒレーション領域におけるCMSSMベンチマーク点の同定。
• √s = 14 TeV、300 fb⁻¹の光度で、ゴールデン崩壊チャネル（クォーク超対称粒子 → スlepton → jjℓℓ̄Eₜₜ）を介して、このベンチマーク点がLHCで発見可能かどうかの評価。
• イベントレベルでのスパーティクル生成と崩壊のシミュレーション、およびインバリアント質量分布における運動量端点技術を用いたスパーティクル質量の抽出。
• 測定されたスパーティクル質量が、ベイズ的手法によるCMSSMラグランジアンパラメータの再構成に使用可能かどうかの検討。
• 再構成されたCMSSMパラメータに基づく、直接的ダークマター検出およびレア崩壊分岐比の予測力の評価。

提案手法

• √s = 14 TeVおよび300 fb⁻¹の光度で、LHCにおけるスパーティクル生成とゴールデン崩壊チェーン（q̃ → ẽ → qℓℓ̄Eₜₜ）のモンテカルロシミュレーション。
• インバリアント質量分布の運動量端点解析を用いて、2番目に軽い中性レプトンの質量、1世代目の左巻きスlepton、およびクォーク超対称粒子の質量を抽出。
• 測定されたスパーティクル質量における相関誤差を定量化するための共分散行列の構築。
• 疑似測定値としてのスパーティクル質量と、Planck（残存密度）およびヒッグス粒子質量（mₕ ≈ 125 GeV）の尤度を組み合わせたベイズ的統計解析により、CMSSMパラメータ空間の推定。
• 再構成されたCMSSMパラメータに基づくスピン不変WIMP-陽子散乱断面積（σ̂SIₚ）とBₛ → μ⁺μ⁻の分岐比の予測。
• 今後の1トン級直接検出実験およびCTAのようなガンマ線望遠鏡の感度に対するモデルの感受性の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重いストー・コアナヒレーション領域におけるCMSSMベンチマーク点は、√s = 14 TeV、300 fb⁻¹の光度で、ゴールデン崩壊チャネルを介してLHCで発見可能か？
• RQ2 ゴールデン崩壊チェーンにおける運動量端点解析によって、スパーティクル質量はどの程度再構成可能か？
• RQ3 測定されたスパーティクル質量から、ベイズ的手法を用いてCMSSMのラグランジアンパラメータを正確に再構成可能か？
• RQ4 Planck（残存密度）およびヒッグス粒子質量の追加制約は、特にA₀に関して、CMSSMパラメータの決定をどの程度改善するか？
• RQ5 再構成されたモデルの予測値（直接検出のσ̂SIₚおよびレア崩壊Bₛ → μ⁺μ⁻）は、現在および将来の実験感度と整合的か？

主な発見

• 重いストー・コアナヒレーション領域におけるベンチマークCMSSM点は、√s = 14 TeV、300 fb⁻¹の光度で、ゴールデン崩壊チャネルを介してLHCで発見可能である。
• 運動量端点解析により、2番目に軽い中性レプトンの質量、1世代目の左巻きスlepton、およびクォーク超対称粒子の質量が、小さな相関誤差を伴って正確に測定可能である。
• 測定されたスパーティクル質量からベイズ的手法によるCMSSMパラメータの再構成では、信頼区間がベンチマーク値をカバーするが、共通の三重項項パラメータA₀については精度が限定的である。
• Planckおよびヒッグス粒子質量の尤度を組み込むことで、A₀の決定が改善され、事後分布におけるバイアスと不確実性が低下する。
• 予測されたスピン不変WIMP-陽子散乱断面積（σ̂SIₚ）は1桁の範囲に制限されており、今後の1トン級直接検出実験で検出可能と予想される。
• モデルはBₛ → μ⁺μ⁻の分岐比を標準模型（SM）値の10％以内に予測するが、これはSMの余剰パラメータとCMSSMパラメータの誤差によるパラメトリック不確実性に制限されている。