[논문 리뷰] Light stop decays into $W b ildeχ_1^0$ near the kinematic threshold

Ramona Gröber, Margarete Mühlleitner외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 MSSM의 맥락에서 가벼운 스토퍼(t̃₁)가 삼체 붕괴 t̃₁ → Wbχ̃₁⁰의 운동역학적 한계 근처에서 붕괴하는 것을 조사한다. 주로 허용되지 않는 두체 붕괴(t̃₁ → cχ̃₁⁰), 삼체 붕괴(t̃₁ → Wbχ̃₁⁰), 그리고 사체 붕괴(t̃₁ → χ̃₁⁰bf̄f′) 간의 상호작용을 중심으로 하며, 한계 근처에서는 허용되지 않는 두체 붕괴가 지배적이거나 경쟁 가능하다는 것을 보여주며, 실험적 검색에서 오해를 피하기 위해 이를 포함해야 한다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

We investigate the decays of the light stop in scenarios with the lightest neutralino $ ildeχ_1^0$ being the lightest supersymmetric particle, including flavour-violating (FV) effects. We analyse the region where the three-body decay $ ilde{t}_1 o W b ildeχ_1^0$ is kinematically allowed and provide a proper description of the transition region between the three-body decay and the four-body decay $ ilde{t}_1 o ildeχ_1^0 b f \bar{f}'$. The improved treatment has been implemented in the Fortran package { t SUSY-HIT} and is used for the analysis of this region. A scan over the parameter range including all relevant experimental constraints reveals that the FV two-body decay into charm and $ ildeχ_1^0$ can be as important as the three-, respectively, four-body decays if not dominant and therefore should be taken into account in order to complete the experimental searches for the light stop.

연구 동기 및 목표

• 가장 가벼운 중성미온(χ̃₁⁰)이 LSP인 MSSM에서 삼체 붕괴 t̃₁ → Wbχ̃₁⁰의 운동역학적 한계 근처의 전이 영역을 분석하기 위해.
• 한계 근처에서 허용되지 않는 두체 붕괴(t̃₁ → cχ̃₁⁰), 삼체 붕괴(t̃₁ → Wbχ̃₁⁰), 사체 붕괴(t̃₁ → χ̃₁⁰bf̄f′) 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 단계 공간과 공진 상태의 정교한 처리를 통해 임계 한계 영역에서 스토퍼 붕괴의 이론적 기술을 향상시키기 위해.
• 정밀한 현상물리적 분석을 위해 개선된 모델을 SUSY-HIT 패키지에 통합하기 위해.
• 허용되지 않는 붕괴가 실험적 배제 한계에 미치는 영향을 평가하여, 분지 비율이 1로 가정되지 않을 경우 기존의 제한이 약화됨을 보여주기 위해.

제안 방법

• 중간 상태로 W 보손과 카이린을 포함한 모든 관련 파인먼 다이어그램을 고려한 장 이론적 진폭 계산을 사용한다.
• 맛 위반 쿠플링과 질량 계열을 포함한 행렬 요소 M̃_d M̃_χ⁺*, M̃_d M̃_u*, M̃_χ⁺ M̃_u*, 및 관련 항목에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 단위가 없는 변수(x₁, x₂, x₃, y₁, y₂, y₃, μ)를 사용하여 단계 공간과 공진 구조를 기술하는 운동역학적 매개변수화를 적용한다.
• Fortran 패키지 SUSY-HIT에 전체 진폭 계산을 구현하여 매개변수 공간 전반에서 붕괴 너비와 분지 비율을 계산한다.
• 모든 관련 실험적 제약 조건(LHC, LEP, Tevatron)을 포함한 MSSM 매개변수에 대한 전반적인 스캔을 수행하여 현상물리적 타당성을 평가한다.
• 논문에서 지정한 바와 같이, 임계 영역에서 오직 W 보손 중간 상태만 온-shell일 경우 사체 붕괴를 처리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동역학적 한계 근처에서 허용되지 않는 두체 붕괴(t̃₁ → cχ̃₁⁰)가 삼체 붕괴(t̃₁ → Wbχ̃₁⁰)와 사체 붕괴(t̃₁ → χ̃₁⁰bf̄f′)와 어떻게 경쟁하는가?
• RQ2 특히 허용되지 않는 두체 붕괴의 분지 비율이 100%가 아닐 경우, LHC 검색에서 가벼운 스토퍼의 배제 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 공진 상태로 존재하는 W 보손의 교환과 비온 상태 효과가 임계 영역의 붕괴 너비에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 허용되지 않는 붕괴가 압축된 SUSY 시나리오에서 가벼운 스토퍼의 현상물리학을 어느 정도 지배하거나 크게 변화시키는가?
• RQ5 SUSY-HIT에서 개선된 이론적 처리가 삼체 붕괴와 사체 붕괴 영역 간의 전이를 정확하게 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 허용되지 않는 두체 붕괴(t̃₁ → cχ̃₁⁰)는 운동역학적 한계 영역에서 삼체 또는 사체 붕괴만큼 지배적이거나 더 중요할 수 있다.
• 삼체 붕괴가 운동역학적으로 허용되는 경우조차도, 허용되지 않는 두체 붕괴의 분지 비율이 상당히 클 수 있으며, 이는 실험 분석에서 100% 분지 비율을 가정하는 데 도전한다.
• SUSY-HIT에서 개선된 처리를 통해, 기존의 LHC 배제 한계는 주로 삼체 또는 사체 붕괴가 지배한다고 가정한 바가 있으나, 허용되지 않는 붕괴를 포함하면 상당히 약화됨을 드러낸다.
• W 보손 중간 상태가 온-쉘일 경우를 제외하고는 임계 영역에서 사체 붕괴 채널이 억제된다. 이는 특정 매개변수 영역에서만 가능하다.
• 삼체 붕괴와 사체 붕괴 영역 간의 전이 영역은 맛 위반 쿠플링과 질량 분리에 매우 민감하며, 정교한 이론적 모델링이 필요하다.
• 모든 실험적 제약 조건을 포함한 매개변수 공간 스캔 결과, 실험적 검색에서 허용되지 않는 붕괴를 포함하지 않으면 스토퍼 신호 억제를 오해할 수 있음을 보여준다.