[논문 리뷰] Has SUSY Gone Undetected in 9-jet Events? A Ten-Fold Enhancement in the LHC Signal Efficiency

Tianjun Li, James A. Maxin외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 61인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 모델에서 초대칭(SUSY)이 LHC에서 탐지되지 않은 이유가 최적화되지 않은 검색 전략 때문일 수 있다고 제안하며, 초고다중성 레이저(예: 9-jet 사건)를 대상으로 한 맞춤형 선택 컷을 적용할 경우 신호의 가시성이 10배 향상됨을 보여준다. 이 연구는 이 모델 유형에 대한 최초의 배제 경계를 수립하였으며, LSP 질량 ≥92 GeV 및 글루아노 질량 ≥658 GeV인 타당한 매개변수 공간을 제시하면서도 관측된 CMS 초과 현상도 설명한다.

ABSTRACT

On the heels of the first analysis of LHC data eclipsing the inverse femtobarn integrated luminosity milestone, we undertake a detailed comparison of the most recent experimental results with Monte Carlo simulation of the full "bare-minimally constrained" parameter space of the class of supersymmetric models which go by the name of No-Scale FSU5. We establish the first sparticle exclusion boundaries on these models, finding that the LSP mass should be at least about 92 GeV, with a corresponding boundary gaugino mass M_1/2 above about 485 GeV. In contrast to the higher mass constraints established for the CMSSM, we find the minimum exclusion boundary on the FSU5 gluino and heavy squark masses resides in the range of 658-674 GeV and 854-1088 GeV, respectively, with a minimum light stop squark mass of about 520 GeV. Moreover, we show that elements of the surviving parameter space not only escape the onslaught of LHC data which is currently decimating the standard mSUGRA/CMSSM benchmarks, but are further able to efficiently explain certain tantalizing production excesses over the SM background which have been reported by the CMS collaboration. We also extend this study comparatively to five distinct collider energies and four specific cut methodologies, including a proposed set of selection cuts designed to reveal the natural ultra-high jet multiplicity signal associated with the stable mass hierarchy m_t < m_g < m_q of the FSU5 models. By so doing, we demonstrate that a rather stable enhancement in model visibility, conservatively of order ten, may be attained by adoption of these cuts, which is sufficient for an immediate and definitive testing of a majority of the model space using only the existing LHC data set. We stress the point that habits established in lower jet multiplicity searches do not necessarily carry over into the ultra-high jet multiplicity search regime.

연구 동기 및 목표

• LHC의 첫 1.1 fb⁻¹ 데이터를 바탕으로 No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 초대칭 모델의 타당성을 재평가하기 위해.
• 이 모델이 자연스럽고 낮은 정밀조정을 갖추고 있음에도 불구하고 표준 mSUGRA/CMSSM 기반 검색 전략이 이를 탐지하지 못한 이유를 설명하기 위해.
• 이 모델 유형의 초고다중성 레이저 끝단 상태에서 신호의 가시성을 극대화하는 데 최적화된 새로운 선택 컷을 규명하고 검증하기 위해.
• 기존 LHC 데이터가 이 최적화된 컷을 통해 No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 매개변수 공간의 대부분을 명확히 테스트할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 모델의 전체 기초 최소 제약 매개변수 공간에 대한 몬테카를로 시뮬레이션과 실험적 LHC 데이터(1.1 fb⁻¹) 간의 상세한 비교를 수행하였다.
• 일致성과 직접 비교 가능성을 확보하기 위해 2011년 분석에서 사용된 동일한 CMS 데이터 선택 방법론을 적용하였다.
• 안정된 질량 계층 구조 $m_{\tilde{t}} < m_{\tilde{g}} < m_{\tilde{q}}$를 고려하여 초고다중성 레이저(예: 9-jet) 끝단 상태를 선호하는 데 최적화된 새로운 운동량 선택 컷을 설계하고 테스트하였다.
• 네 가지 다른 충돌 에너지와 네 가지 컷 전략(제안된 고다중성 컷 포함)에 대해 신호 강화 요소를 평가하였다.
• 모델의 호환성 테스트를 위해 관측된 CMS의 SM 배경을 초월하는 생산 초과 현상을 기준으로 하였다.
• 현실성 확보를 위해 제한된 배경 시뮬레이션에 실제 LHC 관측 결과를 보완하여 분석을 校정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 모델은 타당한 자연스러운 SUSY 프레임워크임에도 불구하고 현재 LHC 배제 한계를 회피할 수 있는가?
• RQ2 최적화된 선택 컷을 통해 초고다중성 레이저 끝단 상태에서 신호의 가시성은 얼마나 향상될 수 있는가?
• RQ3 CMS에서 관측된 9-jet 사건의 초과 현상은 No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 모델의 타당한 매개변수 공간과 관련이 있는가?
• RQ4 No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 모델의 배제 경계는 CMSSM 및 mSUGRA와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 표준 mSUGRA/CMSSM 기반 검색 전략은 특정 타당한 SUSY 모델을 탐지하는 데 본질적으로 부적합한가?

주요 결과

• No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 모델에 대한 최초의 배제 경계가 수립되었으며, LSP 질량은 최소 92 GeV로 제약되고, 게이지노 질량 $M_{1/2}$는 485 GeV 이상이어야 한다.
• 타당한 매개변수 공간 내에서 최소 글루아노 질량은 658에서 674 GeV이며, 최소 무거운 쿼크 스쿼크 질량은 854에서 1088 GeV이다.
• 생존 매개변수 공간 내에서 빛의 스토퍼 스쿼크 질량의 최소 경계는 약 520 GeV이다.
• 제안된 고다중성 제트 컷을 적용할 경우, 10배의 신호 가시성 향상이 달성 가능하며, 이는 다양한 LHC 에너지와 모델 포인트에서 안정하다.
• No-Scale $Φ$-$SU(5)$ 모델의 타당한 매개변수 공간은 현재 LHC 배제를 피할 뿐 아니라, CMS에서 보고한 SM 배경을 초월하는 생산 초과 현상도 효율적으로 설명한다.
• 이 연구는 저다중성 제트 기반 표준 검색 전략이 이 모델을 탐지하는 데 부적합하며, 이러한 검색 관행이 초고다중성 제트 영역으로는 적용되지 않는다는 것을 입증한다.