[논문 리뷰] Discovering Gluino Events at LHC-8 via Disappearing Chargino Tracks

Gordon Kane, Ran Lu외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 중량 쿼크와 위노-유사한 LSP를 가진 모델에서 LHC-8에서 글루아노 쌍 생성을 탐지하기 위해, 글루아노 붕괴에서 유도된 장수하는 찰린코 트랙을 식별하는 방법을 제안한다. 이 방법은 약 50%의 붕괴 분율로 연약한 파이온과 LSP로 붕괴하는 찰린코를 활용하여 재구성 가능한 고pT 트랙을 생성하며, 배경이 낮은 서명을 제공함으로써 10–20 fb⁻¹의 데이터로 글루아노를 발견할 수 있고, 운동량 재구성에 의해 독립적인 질량 측정이 가능하다.

ABSTRACT

In this note, we advocate a new method for identifying gluino pair production events at the LHC. The method is motivated by and works for theories with heavy squarks and Wino-like LSPs (with nearly degenerate LSP and chargino). Such theories are well motivated and their gluinos typically have a O(50%) branching ratio to charged Winos. Observing the track of a long lived charged Wino produced from gluino decay could give a clear identification of a gluino event. Charged Wino NLSPs produced in colliders can be long-lived enough to leave a reconstructable high pT charged track before decaying into a soft pion (or a soft lepton) and the LSP, a signature with low SM background. By supplementing the canonical gluino search strategy with a search for these stiff chargino tracks, our results suggest it will be possible to find gluinos with significantly less luminosity. In addition, we describe a procedure for obtaining a kinematic measurement of the gluino mass using the three momenta of the reconstructed chargino tracks. With measurements of the gluino mass and cross section, it will be possible to determine the gluino spin, and confirm that the excess events are indeed due to a spin 1/2 superpartner. It may also be possible to use these stiff Wino tracks to obtain an approximate measurement of the chargino mass, and therefore the LSP (dark matter) mass.

연구 동기 및 목표

• 중량 쿼크와 위노-유사한 LSP를 가진 모델에서, 찰린코가 LSP와 거의 디세너리어티를 이루는 경우 글루아노 쌍 생성을 위한 새로운 탐색 전략을 개발하기 위해.
• 기존의 미소된 횡방향 에너지(MET) 및 제트 기반 탐색에 의존하는 것을 줄이고, 배경이 낮은 트랙 기반 서명을 도입하기 위해.
• 글루아노 붕괴에서 유도된 장수하는 찰린코 트랙을 활용하여, 훨씬 적은 루미노시티로 글루아노 발견을 가능하게 하기 위해.
• 재구성된 찰린코 3모멘타를 이용한 독립적인 운동량 재구성으로 글루아노 질량을 측정하기 위해.
• 질량 및 단면적 측정을 통해 글루아노의 스핀-1/2 성질을 확인하고, 다른 색깔을 가진 수퍼파트너들과 구별하기 위해.

제안 방법

• 글루아노 붕괴에서 유도된 장수하는 찰린코(브랜치 비율 ~50%)가 약 50cm 이내에서 파이온과 LSP로 붕괴하며, 감지 가능한 고pT 양성자 트랙을 남긴다.
• 후보 이벤트를 선별하기 위해 표준 SUSY 탐색 컷(예: MET > 130 GeV, ≥4개의 제트, pT(j1) > 130 GeV)을 적용한다.
• 픽셀 검출기에서의 트랙 재구성, 곡률 및 dE/dx를 이용해 SM 배경과 구별되는 찰린코 트랙을 식별한다.
• 찰린코 트랙과 두 제트를 클러스터링하여 횡방향 운동량이 균형 잡힌 시스템을 구성함으로써 글루아노 질량을 재구성한다.
• MET로부터 유도된 다른 찰린코의 횡방향 운동량을 이용해 관측된 찰린코 트랙과 올바른 제트를 짝지어준다.
• 제트 가짜 배경을 억제하면서도 신호 이벤트의 약 60%를 유지하기 위해 찰린코 트랙과 제트 사이의 Δφ > 0.4 컷을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중량 쿼크와 위노-유사한 LSP를 가진 모델에서 글루아노 붕괴에서 유도된 장수하는 찰린코 트랙이 신뢰성 있고 배경이 낮은 서명을 제공할 수 있는가?
• RQ2 찰린코 트랙을 통해 MET 및 제트 에너지 스케일 가정에 의존하지 않고 글루아노 질량을 운동량 재구성으로 측정할 수 있는가?
• RQ3 관측된 찰린코 트랙의 특성(운동량, 곡률, dE/dx)을 이용해 찰린코와 LSP의 질량을 추론할 수 있는가?
• RQ4 찰린코 트랙 탐색을 포함함으로써, 제한된 루미노시티를 가진 LHC-8에서 글루아노의 발견 가능성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 측정된 글루아노 질량과 단면적을 통해 글루아노의 스핀-1/2 성질을 확인하고, 다른 색깔을 가진 수퍼파트너들과 구별할 수 있는가?

주요 결과

• LHC-8에서 10–20 fb⁻¹의 데이터로 약 60개의 이벤트가 표준 SUSY 탐색 컷을 통과할 것으로 예상된다.
• 찰린코 트랙 3모멘타와 제트 클러스터링을 통한 재구성된 글루아노 질량은 진짜 질량과 약 100 GeV 이내의 오차로 일치한다.
• 이 방법은 LSP 질량에 대한 가정에 의존하지 않는 독립적인 글루아노 질량 측정을 가능하게 한다.
• 표준 고립 컷을 적용하더라도 찰린코 트랙 신호는 강건하며, 배경을 줄이면서도 신호의 유의미성을 유지한다.
• 찰린코 트랙 운동량과 잠재적인 연약한 파이온 붕괴 생성물을 측정하면 찰린코와 LSP 질량의 운동량 재구성 가능성이 있다.
• 이 방법은 질량 및 단면적 측정을 통해 글루아노의 스핀을 중요한 테스트하며, 글루아노 파트너임을 확인한다.