[논문 리뷰] Light stop in the MSSM after LHC Run 1

G. Bélanger, Diptimoy Ghosh외 2명|NOT FOUND REPOSITORY (Indian Institute of Science Bangalore)|2015. 06. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 168인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 1 이후 현상학적 MSSM(pMSSM)에서 경량 토퍼스쿼크(stop)의 가능성에 대해 126 GeV 힉스 보손, 플레이어르 물리학, 암흑물질 직접 탐측, LHC 슈퍼대칭 탐색의 제약 조건을 고려하여 조사한다. 질량이 약 500 GeV 이하인 스토퍼는 여전히 타당성이 있으며, 특히 작은 스토퍼–LSP 질량 분리에 대해 직접 탐측(Xenon1T)과 힉스 연관 생성을 통한 보완적 탐지 수단이 나머지 매개변수 공간을 테스트할 수 있음을 밝혀냈다.

ABSTRACT

The discovery of a Higgs boson with a mass of 126 GeV at the LHC when combined with the non-observation of new physics both in direct and indirect searches imposes strong constraints on supersymmetric models and in particular on the top squark sector. The experiments for direct detection of dark matter have provided with yet more constraints on the neutralino LSP mass and its interactions. After imposing limits from the Higgs, flavour and dark matter sectors, we examine the feasibility for a light stop in the context of the pMSSM, in light of current results for stop and other SUSY searches at the LHC. We only require that the neutralino dark matter explains a fraction of the cosmologically measured dark matter abundance. We find that a stop with mass below $\sim$ 500 GeV is still allowed. We further study various probes of the light stop scenario that could be performed at the LHC Run - II either through direct searches for the light and heavy stop, or SUSY searches not currently available in simplified model results. Moreover we study the characteristics of heavy Higgs for the points in the parameter space allowed by all the available constraints and illustrate the region with large cross sections to fermionic or electroweakino channels. Finally we show that nearly all scenarios with a small stop$-$LSP mass difference will be tested by Xenon1T provided the NLSP is a chargino, thus probing a region hard to access at the LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 1 제약 조건, 즉 126 GeV 힉스 보손, 플레이어르 관측량, 암흑물질 직접 탐측을 고려한 pMSSM에서 질량이 500 GeV 이하인 경량 스토퍼의 타당성을 평가하는 것.
• 현재 LHC의 단순 모델 분석으로는 완전히 커버되지 않는 경량 스토퍼를 위한 실험적 탐지 수단을 규명하는 것.
• 특히 전자기력 레이저노와 페르미온으로의 붕괴를 고려할 때, 허용된 pMSSM 매개변수 공간 내에서 무거운 힉스 보손의 현상학을 탐색하는 것.
• 스토퍼와 LSP 사이의 질량 분리가 작은 경우, LHC 탐색과 암흑물질 직접 탐측 간의 보완성을 평가하는 것.
• NLSP가 카르긴오인 경우, 특히 작은 스토퍼–NLSP 질량 차이 영역을 Xenon1T가 어떻게 탐지할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 연구는 126 GeV 힉스 보손 질량, 전기약력 정밀 관측량, 플레이어르 물리학(예: b→sμμ), 암흑물질 잔류 밀도 등의 제약 조건을 적용한 pMSSM 매개변수 공간의 전역 스캔을 수행한다.
• LHC 런 1의 직접 슈퍼대칭 탐색 제약 조건, 즉 스토퍼 쌍 생성 및 연관 힉스 생성에 대한 제약 조건을 단순 모델 분석과 전체 모델 분석을 통해 통합한다.
• 스토퍼 붕괴 모드의 세부 시뮬레이션을 수행하며, 특히 비대칭 붕괴(예: 한 스토퍼가 tχ̃01로 붕괴하고 다른 한 쪽은 bχ̃±1로 붕괴하는 경우)와 가상 W/Z 보손을 포함한 4체 붕괴를 고려한다.
• 미래 LHC 런 2 탐색의 탐지 능력을 평가하기 위해 제트 + 미량 에너지 서명과 힉스 또는 제트와 함께 스토퍼 쌍 생성을 시뮬레이션한다.
• 허용된 매개변수 공간 내에서 무거운 힉스 보손(H, A)이 전자기력 레이저노와 페르미온으로 붕괴하는 데 대한 분포율을 계산하고, 현재 및 향후 LHC 탐색에서의 탐지 가능성 평가를 수행한다.
• NLSP가 카르긴오인 경우를 가정하고, 톤 스케일의 직접 탐측 실험인 Xenon1T의 스토퍼–NLSP 질량 분리 영역에 대한 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 126 GeV 힉스 보손과 암흑물질 직접 탐측 제약 조건을 포함한 LHC 런 1 제약 조건을 모두 적용한 후, 질량이 500 GeV 이하인 스토퍼가 pMSSM에서 여전히 타당한가?
• RQ2 표준 단순 모델 탐색이 부족한 경우, LSP로의 질량 분리가 작은 경량 스토퍼를 탐지하기 위한 가장 효과적인 LHC 서명은 무엇인가?
• RQ3 현재 제약 조건을 만족하는 pMSSM 매개변수 공간 내에서, 무거운 힉스 보손(H, A)이 전자기력 레이저노와 페르미온으로 붕괴하는 분포율은 어떻게 행동하는가?
• RQ4 Xenon1T가 NLSP가 카르긴오인 경우, 특히 작은 스토퍼–NLSP 질량 차이 영역을 얼마나 잘 탐지할 수 있으며, 이는 LHC 탐색과 어떻게 보완되는가?
• RQ5 스토퍼 쌍이 힉스 또는 제트와 함께 연관 생성되는 것이, 운동학적 경계 근처의 경량 스토퍼에 대한 탐지 채널로 타당한가?

주요 결과

• 126 GeV 힉스 보손, 플레이어르 물리학, 암흑물질 잔류 밀도, LHC 런 1 직접 탐색 제약 조건을 모두 적용한 후, 질량이 약 500 GeV 이하인 스토퍼는 여전히 pMSSM에서 타당성이 있다.
• 비대칭 스토퍼 붕괴—예를 들어 한 스토퍼가 tχ̃01로 붕괴하고 다른 한 쪽은 bχ̃±1로 붕괴하는 경우—는 현재의 단순 모델 탐색에 큰 도전을 주며, 전용 위상도가 필요하다.
• 허용된 매개변수 공간 내에서 스토퍼 쌍이 힉스 보손과 함께 생성되는 것은 작은 결합 상수로 인해 억제되어 있어, 힉스 태깅이 유리한 상황에서도 탐지가 어렵다.
• 허용된 pMSSM 매개변수 공간 내에서 무거운 힉스 보손(H, A)은 전자기력 레이저노, 특히 비가시 붕괴를 포함해 큰 분포율을 가질 수 있으며, 이는 추가적인 LHC 탐색 채널을 제공한다.
• NLSP가 카르긴오인 경우, Xenon1T는 W 보손 질량 이하의 모든 스토퍼–NLSP 질량 차이 영역을 거의 탐지할 수 있으며, 이는 LHC 탐색과 강력한 보완성을 제공한다.
• 특히 윈오-유사 카르긴오가 장수하는 경우, 현재 LHC 탐색으로는 여전히 제약이 부족하며, 장수 입자 서명의 향상된 분석을 통해 탐지 가능할 수 있다.