[논문 리뷰] Exotic Stop Decay at the LHC

Jonathan Eckel, Shufang Su외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 Bino-유사 LSP와 경량 Wino 또는 힉스ино NLSP를 가진 초대칭 모델에서 이국적인 토크류크 쿼크 붕괴 모드를 조사하며, $\tilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ 및 $\tilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$와 같은 혼합 붕괴 채널을 규명하여 $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 서명을 이끌어냅니다. 14 TeV LHC에서 300 fb$^{-1}$의 경우, 95% 신뢰수준에서 최대 1040 GeV까지의 토크류크 쿼크 배제가 가능하거나, 5$\sigma$에서 최대 940 GeV까지의 발견 가능성이 확보됩니다.

ABSTRACT

Current searches for the top squark mostly focus on the decay channels of $ ilde{t}_1 ightarrow t \chi_1^0$ or $ ilde{t}_1 ightarrow b \chi_1^\pm ightarrow bW \chi_1^0$, leading to $tt/bbWW+ ot\mathrel{E}_T$ final states for top squark pair production at the LHC. In supersymmetric scenarios with light gauginos other than the neutralino lightest supersymmetric particle (LSP), different decay modes of the top squark could be dominant, which significantly weaken the current top squark search limits at the LHC. Additionally, new decay modes offer alternative discovery channels for top squark searches. In this paper, we study the top squark and bottom squark decay in the Bino-like LSP case with light Wino or Higgsino next-to-LSPs (NLSPs), and identify cases in which additional decay modes become dominant. We also perform a collider analysis for top squark pair production with mixed top squark decay final states of $ ilde{t}_1 o t {\chi}_2^0 o th {\chi}_1^0$, $ ilde{t}_1 o b {\chi}_1^\pm o bW {\chi}_1^0 $, leading to the $bbbbjj\ell+ ot\mathrel{E}_T$ collider signature. The branching fraction for such decay varies between 25\% and 50\% for a top squark mass larger than 500 GeV with $M_2=M_1+150$ GeV. At the 14 TeV LHC with 300 ${ m fb}^{-1}$ integrated luminosity, the top squark can be excluded up to about 1040 GeV at the 95\% C.L., or be discovered up to 940 GeV at 5$\sigma$ significance.

연구 동기 및 목표

• 경량 Wino 또는 힉스ино 다음으로 LSP인 초대칭 모델에서 토크류크 쿼크와 바텀 쿼크의 새로운 지배 붕괴 모드를 규명하기 위해.
• 이러한 이색 붕괴 모드가 기존 LHC 토크류크 쿼크 검색 한계에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 표준 $tt/bbWW+\cancel{E}_T$ 최종 상태 외의 새로운 발견 채널을 탐색하기 위해.
• 14 TeV LHC에서 혼합 붕괴 최종 상태를 가진 토크류크 쿼크 쌍 생성의 발견 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• Bino-유사 LSP와 경량 Wino 또는 힉스ино NLSP를 가진 초대칭 모델을 분석하여 토크류크 쿼크 붕괴 분지율을 결정하기 위해.
• 특정 질량 영역에서 지배적인 모드로 간주되는 $\tilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ 및 $\tilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$를 포함한 붕괴 체인을 평가하기 위해.
• 최종 상태에 $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 가 포함된 토크류크 쿼크 쌍 생성을 위한 충돌기 분석을 수행하기 위해.
• 신호 사건을 모델링하고 $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 서명에 대한 배경 기여도를 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하기 위해.
• 표준 LHC 검색 분석 기법, 즉 운동학적 컷과 신호 영역 최적화를 적용하기 위해.
• 최대 1040 GeV까지의 토크류크 쿼크 질량에 대해 95% 신뢰수준의 배제 한계와 5$\sigma$의 발견 통계적 의미를 계산하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bino-유사 LSP 상황에서 다음으로 LSP인 경량 Wino 또는 힉스ино일 경우, 토크류크 쿼크의 지배 붕괴 모드는 무엇인가요?
• RQ2 이러한 이색 붕괴 모드는 현재 LHC 토크류크 쿼크 검색의 민감도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 14 TeV LHC에서 $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 최종 상태에서 토크류크 쿼크의 발견 가능성은 어떻게 되나요?
• RQ4 300 fb$^{-1}$ 광량으로 95% 신뢰수준 또는 5$\sigma$의 통계적 의미에서 배제 또는 발견 가능한 최대 토크류크 쿼크 질량는 얼마입니까?
• RQ5 토크류크 쿼크 질량과 $M_2 = M_1 + 150$ GeV에 따라 혼합 붕괴 모드의 분지율은 어떻게 변화합니까?

주요 결과

• 토크류크 쿼크 질량이 500 GeV 이상일 경우, 혼합 붕괴 모드인 $\tilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ 및 $\tilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$의 분지율은 25%에서 50% 사이에 분포합니다.
• $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 최종 상태는 이색 붕괴 시나리오에서 토크류크 쿼크의 타당한 발견 채널을 제공합니다.
• 14 TeV LHC에서 300 fb$^{-1}$ 광량을 가질 경우, 95% 신뢰수준에서 최대 1040 GeV까지의 토크류크 쿼크가 배제될 수 있습니다.
• 동일한 분석은 5$\sigma$의 발견 가능성을 최대 940 GeV까지 확보합니다.
• 이러한 결과는 기존 LHC 검색이 이색 붕괴 모드가 지배할 경우 크게 약화되며, 새로운 검색 전략이 필요하다는 것을 시사합니다.
• 본 연구는 향후 토큐류크 쿼크 검색에서 혼합 붕괴 채널을 고려하는 것이 중요하다는 점을 부각합니다. 특히 경량 NLSP를 가진 모델에서 그러한 고려가 더욱 중요합니다.