[논문 리뷰] LHC(CMS) SUSY discovery potential for nonuniversal gaugino and squark masses and the determination of the effective SUSY scale

S.I. Bityukov, Nikolai Krasnikov|ArXiv.org|2002. 10. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비일관된 가우지노 및 스쿼크 질량을 가진 모델에서 LHC(CMS)의 초대칭(SUSY) 발견 잠재력에 대해 연구한다. 단순화된 SUGRA-MSSM 프레임워크를 넘어서며, ISASUSY와 PYTHIA를 사용한 세밀한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 LHC는 질량 계층에 따라 1.5–2.5 TeV까지 스쿼크와 글루아노를 탐지할 수 있음을 보여준다. 비일관된 상황에서 효과적 SUSY 스케일은 유일하게 M_eff 변수를 통해 비직선적인 방식으로 측정 가능하다.

ABSTRACT

We review the results on the investigation of the LHC(CMS) SUSY discovery potential for the case of nonuniversal gaugino and squark masses.

연구 동기 및 목표

• 비일관된 가우지노 및 스쿼크 질량 조건에서 SUGRA-MSSM의 일관성 가정을 넘어서 LHC(CMS)의 SUSY 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)가 무거울 경우 스쿼크 및 글루아노 탐지에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 비일관된 질량 상황에서 M_eff 변수가 효과적 SUSY 스케일을 추정하는 데 성능을 평가하기 위해.
• 다양한 질량 계층, 특히 제3세대 스쿼크만 가벼운 경우를 포함하여 LHC의 SUSY 발견 가능 범위를 결정하기 위해.
• 실제 검출기 시뮬레이션과 배경 모델링을 사용한 모델 독립적 평가를 제공하기 위해.

제안 방법

• 비일관된 가우지노 및 스쿼크 질량에 대해 전체 입자 스펙트럼, 결합 상수, 생성 단면적, 붕괴 체인을 생성하는 ISASUSY를 사용해 SUSY 신호 이벤트를 시뮬레이션하였다.
• W+jets, Z+jets, 톰 쌍, 이중 보손, QCD 과정을 포함한 표준모형 배경를 PYTHIA를 통해 생성하였다.
• 세부적인 CMS 검출기 반응을 기반으로 한 빠른 시뮬레이션 코드인 CMSJET을 통해 검출기 시뮬레이션을 적용하였다.
• 최적화된 운동량 절단을 적용한 (n ≥ 2,3,4) 개의 제트 + (m ≥ 0,1,2,3,4) 개의 고립된 렙톤 + E_T^miss를 검색 서명으로 정의하였다.
• M_eff 변수를 M_eff = E_T^miss + Σp_T,1 to 4 (4개의 최고 운동량 제트에 대해)로 정의하여 효과적 SUSY 스케일을 탐색하였다.
• dσ_SUSY/dM_eff 분포를 분석하여 M_SUSY(분포의 피크)를 도출하고, 이 값을 m_gluino와 m_squark 중 가장 가벼운 질량과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비일관된 가우지노 및 스쿼크 질량 조건에서 LHC(CMS)의 스쿼크 및 글루아노 발견 잠재력은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)가 무거울 경우, (제트 + 렙톤 + E_T^miss) 서명에서 SUSY 신호의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비일관된 질량 모델에서 M_eff 변수가 효과적 SUSY 스케일을 신뢰성 있게 추정할 수 있는가?
• RQ4 질량 계층에 따라, 예를 들어 m_gluino ≫ m_squark 또는 제3세대 스쿼크만 가벼운 경우, 발견 가능 범위는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 일반적인 비일관된 상황에서 M_eff 분포의 피크(M_SUSY)가 min(m_gluino, m_squark)와 얼마나 관련이 있는가?

주요 결과

• 비일관된 가우지노 및 스쿼크 질량 조건에서, LSP 질량이 m_gluino와 m_squark 중 가장 작은 질량에 가까울 경우, LHC(CMS)는 스쿼크 및 글루아노 질량이 최대 1.2–1.5 TeV까지 발견할 수 있다.
• 제3세대 스쿼크만 가벼운 경우(m_q1,2 > 1 TeV)에도, m_squark ≤ 800 GeV일 경우 SUSY는 여전히 발견 가능하다.
• 비일관된 모델에서 M_eff 변수는 m_gluino 또는 m_squark 중 가장 가벼운 질량과 선형적으로 상관되지 않으며, m_gluino, m_squark, m_LSP의 세 가지 질량에 비선형적이고 비직선적인 의존성을 보인다.
• 일반적인 비일관된 상황에서 M_eff 분포의 피크인 M_SUSY는 min(m_gluino, m_squark)에서 크게 이격되어 있어, 직접적인 질량 추정 도구로 사용하기에는 제한이 있다.
• 가장 도전적인 경우, 즉 LSP 질량이 글루아노 또는 스쿼크 질량에 가까운 경우에도, LHC는 1 TeV 이하의 스파티클을 여전히 발견할 수 있다.
• SUSY 신호에 대한 주요 표준모형 배경은 W+jets, Z+jets, t-tbar, WZ, ZZ, b-bbar, QCD (2→2) 과정이며, 이는 시뮬레이션 프레임워크에서 잘 모델링되어 있다.