[논문 리뷰] Beyond the Standard Model Physics at the HL-LHC and HE-LHC

X. Cid Vidal, M. D’Onofrio외 295명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 47

한 줄 요약

이 보고서는 HL-LHC(14 TeV, 3 ab^-1)와 HE-LHC(27 TeV, 15 ab^-1)에서 SUSY, 다크 물질, 장기 수명 입자, 렙토쿼크, 스테럴 뉴트리노, axion-like 입자, 그리고 무거운 공진자 등 다양한 모델에 걸쳐 표준 모형을 넘는 물리학(BSM)을 발견하거나 제약할 수 있는 가능성을 조사한다.

ABSTRACT

This is the third out of five chapters of the final report [1] of the Workshop on Physics at HL-LHC, and perspectives on HE-LHC [2]. It is devoted to the study of the potential, in the search for Beyond the Standard Model (BSM) physics, of the High Luminosity (HL) phase of the LHC, defined as $3~\mathrm{ab}^{-1}$ of data taken at a centre-of-mass energy of $14~\mathrm{TeV}$, and of a possible future upgrade, the High Energy (HE) LHC, defined as $15~\mathrm{ab}^{-1}$ of data at a centre-of-mass energy of $27~\mathrm{TeV}$. We consider a large variety of new physics models, both in a simplified model fashion and in a more model-dependent one. A long list of contributions from the theory and experimental (ATLAS, CMS, LHCb) communities have been collected and merged together to give a complete, wide, and consistent view of future prospects for BSM physics at the considered colliders. On top of the usual standard candles, such as supersymmetric simplified models and resonances, considered for the evaluation of future collider potentials, this report contains results on dark matter and dark sectors, long lived particles, leptoquarks, sterile neutrinos, axion-like particles, heavy scalars, vector-like quarks, and more. Particular attention is placed, especially in the study of the HL-LHC prospects, to the detector upgrades, the assessment of the future systematic uncertainties, and new experimental techniques. The general conclusion is that the HL-LHC, on top of allowing to extend the present LHC mass and coupling reach by $20-50\%$ on most new physics scenarios, will also be able to constrain, and potentially discover, new physics that is presently unconstrained. Moreover, compared to the HL-LHC, the reach in most observables will generally more than double at the HE-LHC, which may represent a good candidate future facility for a final test of TeV-scale new physics.

연구 동기 및 목표

• HL-LHC 및 HE-LHC에서 광범위한 Beyond the Standard Model 시나리오에 대한 도달 범위를 평가한다.
• 향후 NP 탐색에 관련된 검출기 업그레이드, 체계적 불확실성 및 새로운 실험 기법을 분석한다.
• SUSY, DM/다크 섹터, LLP, 맛(flavour) 및 공진 신호에 대한 조정된 예측을 제공한다.

제안 방법

• HL-LHC 조건에서 객체 재구성을 예측하기 위해 자세한 검출기 성능 연구와 빠른 시뮬레이션을 혼합하여 사용한다.
• 다양한 탐색 채널에서 신호와 배경을 추정하기 위해 시뮬레이션된 이벤트를 이벤트 제너레이터와 파트온 샤워와 연결한다.
• 교차 섹션 및 업그레이드된 검출기 성능에 기반한 규모 인자를 적용하여 현재 분석을 HL-LHC/HE-LHC로 외삽한다.
• 대규모 데이터 세트에 대한 현재 분석과 예상 개선에 의해 안내된 체계적 불확실성 고려사항을 통합한다.
• SUSY, DM/다크 섹터, LLP, 맛(flavour) 및 공진 현상을 아우르는 통합 프레임워크 내에서 결과를 요약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC 및 HE-LHC에서 gluinos와 제3세대 squarks의 예상 도달 범위는 무엇인가?
• RQ2 업그레이드된 검출기와 더 높은 luminosity가 electroweakinos, sleptons, 및 압축 스펙트럼에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HL-LHC/HE-LHC에서 monojet, heavy flavour, Higgs portal 시나리오를 포함한 다크 물질 및 다크 섹터 시그니처의 전망은 무엇인가?
• RQ4 편이된 정점(displaced vertices), 사라지는 트랙(disappearing tracks) 또는 무거운 안정전하 입자(heavy stable charged particles)를 통한 롱-라이브드 입자의 발견 가능성은?
• RQ5 다양한 모델에서 HL-LHC/HE-LHC 예측이 고질량 공진기와 새로운 게이지 보손들을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• HL-LHC의 전망은 많은 NP 시나리오에 대해 현재의 질량 및 결합 도달 범위를 대략 20-50% 확장한다.
• 대부분의 관측가능량에서 HE-LHC 도달 범위는 대체로 HL-LHC에 비해 두 배 이상 증가하여 TeV 규모의 NP에 대한 민감도를 높인다.
• 본 연구는 NP 민감도 향상을 위한 검출기 업그레이드, 체계적 불확실성 처리 및 새로운 분석 기법의 중요성을 강조한다.
• SUSY 탑 파트너, 전자약한 계, sleptons, 다크 물질 채널, LLP, 렙토쿼크, 무거운 공진자 등 광범위한 BSM 시그니처를 다룬다.
• 결과는 현재 제약되지 않는 모델에 대한 잠재적 발견이나 강한 제약을 강조한다.