[논문 리뷰] Degenerate SUSY search at the 8 TeV LHC

Biplob Bhattacherjee, Kirtiman Ghosh|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 15인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 8 TeV LHC에서 질량이 거의 일치하는 초대칭(SUSY) 사례에 대해 ATLAS 및 CMS SUSY 탐색 전략의 타당성을 조사한다. 여기서 글루아인 또는 스퀘어크가 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)와 거의 질량이 일치한다. 연구 결과, 현재의 탐색 전략(비일치 스펙트럼에 최적화됨)은 부드러운 제트와 낮은 미소된 횡방향 에너지 손실(E_T/~)으로 인해 이러한 사례를 효과적으로 탐색하지 못함을 밝혀내며, 8 TeV에서도 발견 가능성은 심각하게 제한된다.

ABSTRACT

ATLAS and CMS collaborations have searched for the supersymmetry (SUSY) in different channels with 7 TeV center-of-mass energy and their search strategies are optimized for the SUSY scenarios with fairly large mass splittings among the sparticles. In absence of any significant deviation of the data from the Standard Model (SM) prediction, stringent bounds are imposed on the squarks and gluino masses in the context of different SUSY scenarios. Since the exact SUSY breaking mechanism is not known, some part of the SUSY spectrum may be degenerate. In this paper, we consider two particular cases of degenerate SUSY spectrum and discuss the impact of ATLAS and CMS SUSY searches on these scenarios. We found that present SUSY search strategies of the ATLAS and CMS collaborations are not optimized for the degenerate SUSY scenarios. Even the LHC with 8 TeV center-of-mass energy can not probe large part of the parameter space of degenerate SUSY scenarios with the present search strategies.

연구 동기 및 목표

• 현재 ATLAS 및 CMS SUSY 탐색 전략이 질량 차이가 작은 경우의 8 TeV LHC에서의 질량이 일치하는 SUSY 사례에 효과적인지 평가하기.
• 두 가지 질량이 일치하는 SUSY 모델의 충돌기 현상학을 조사하기: 하나는 글루아인이 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)인 경우이며, 다른 하나는 가벼운 스퀘어크를 포함하는 경우.
• 현재 분석 기법과 컷을 사용하여 8 TeV LHC에서 이러한 모델의 발견 가능성 평가하기.
• 높은 유효 질량 및 E_T/~ 컷이 질량이 일치하는 SUSY 신호가 표준모형 배경에 묻혀 있는 부드러운 신호를 탐지하는 데 미치는 제약을 부각하기.

제안 방법

• 스쿼크 및/또는 글루아인의 쌍 생성을 시뮬레이션하며, R-대칭 보존 SUSY 사례에서 스파티클과 LSP 사이의 작은 질량 차이를 고려한다.
• ATLAS 및 CMS 탐색 전략을 적용함—특히 고효율 질량 및 E_T/~ 컷을 포함한 단일 제트/다중 제트 + E_T/~ 서명—7 TeV 데이터를 사용하여 8 TeV로 외삽한다.
• 신호 이벤트 모델링 및 배경 억제를 위해 몬테카를로 이벤트 생성 및 검출기 시뮬레이션 도구(MadGraph, Delphes 등)를 사용한다.
• 비일치 스펙트럼(예: cMSSM)과 질량이 일치하는 SUSY 스펙트럼 간의 신호 수용율과 배경 거부 효율성을 비교한다.
• 초기 상태 복사(ISR) 제트의 영향을 분석하며, 이는 파편이 부드러울 경우에도 감지 가능한 E_T/~ 를 제공할 수 있다.
• 특히 스퀘어크가 분리되는 한계에서 결과가 덜 신뢰할 수 있는 경우에, 결과의 인각 스케일 의존성에 대한 민감도 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 ATLAS 및 CMS SUSY 탐색 전략은 8 TeV LHC에서 질량이 일치하는 SUSY 사례에 대해 효과적으로 작동하는가?
• RQ2 비일치 스펙트럼에 최적화된 높은 유효 질량 및 E_T/~ 컷은 질량이 일치하는 SUSY 신호의 발견 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 상태 복사(ISR)가 딱딱한 제트와 관련된 E_T/~ 를 통해 질량이 일치하는 SUSY 이벤트의 감지 가능성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 ATLAS 및 CMS의 결과가 분리된 스퀘어크 한계에서 약간 다른 이유는 무엇이며, 이는 배제 한계의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 컷 최적화를 통해 질량이 일치하는 SUSY의 탐색 가능성을 향상시킬 수 있으며, 이러한 사례에 맞게 분석 전략을 재정의하는 데 어떤 과제가 있는가?

주요 결과

• ATLAS 및 CMS의 8 TeV LHC 탐색 전략는 스파티클 붕괴가 부드러운 제트와 낮은 E_T/~ 를 생성하는 질량이 일치하는 SUSY 사례에 최적화되어 있지 않다.
• 현재 분석에서 사용하는 높은 유효 질량 및 E_T/~ 컷은 질량이 일치하는 사례에서 신호 수용율을 심각하게 억압하여 발견 가능성은 극도로 감소한다.
• 8 TeV에서도 비슷한 비최적의 분석 컷으로 인해 7 TeV 대비 발견 가능성 향상은 크게 이루어지지 않는다.
• 7 TeV에서 ATLAS의 글루아인 질량 한계는 cMSSM 한계에서 약 500 GeV이며, 매칭이 없는 경우 약 600 GeV로 상승하여 분리된 스퀘어크 한계에서 큰 불확실성을 나타낸다.
• 신호 I(글루아인이 NLSP인 경우)와 신호 II(가벼운 스퀘어크 포함) 모두 현재 탐색 프레임워크 하에서 제한된 신호 가시성을 보이며, 특히 제트와 E_T/~ 가 부드러울 경우 더욱 심각하다.
• 이 연구는 새로운 분석 기법—특히 ISR 태깅과 수정된 운동량 컷을 포함한 것—이 질량이 일치하는 BSM 모델을 효과적으로 탐색하기 위해 급하게 필요하다고 제안한다.