[논문 리뷰] Model-Independent SUSY Masses from 4-Lepton Kinematic Invariants at the LHC

Peisi Huang, N. Kersting외 1명|arXiv (Cornell University)|2007. 12. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 4 렙톤 최종 상태에서 7개의 관측 질량 끝점(7 invariant mass endpoints)을 사용하여 초대칭(SUSY) 스파article 질량을 모델에 종속되지 않게 결정하는 방법을 제안한다. H/A → χ̃⁰ᵢχ̃⁰ⱼ → l₁⁻l′₁⁺l₂⁻l′₂⁺ → 4l 붕괴에서 운동량 끝점의 분석을 통해 해석적 공식을 유도하고, 300 fb⁻¹의 루미노사티가 있을 경우 질량이 약 30% 이내로 제약을 받을 수 있음을 보여주며, 한 질량이 5% 정확도로 알려져 있으면 그 정확도가 더욱 향상됨을 시사한다.

ABSTRACT

It is well known that finding and measuring the masses of supersymmetric particles (sparticles) at the Large Hadron Collider (LHC) may be possible using invariant mass distributions in exclusive channels of N observable final state particles. Typically this has been done for N ≤ 3 which only gives 3 or fewer independent invariant masses; we extend this programme to N = 4 which then gives 7 invariant masses and therefore potentially more constraints on sparticle masses. In the case of heavy Higgs decays to four isolated leptons pp → H/A → ˜χ 0 i ˜χ0 j → ˜ ± l1 l1 ∓˜ l2 l2 ∓ → l1 ∓ l ′ ± 1 l2 ∓ l ′ ± 2 ˜χ 0 1˜χ 0 1 we derive analytical formulae for all invariant mass endpoints. We test the ability to invert these and find sparticle masses at three different MSSM parameter points including Snowmass SPS1a where i = j and both sleptons have approximately the same mass. Assuming 300 fb−1 of LHC integrated luminosity, endpoint constraints only roughly determine the masses of the H/A, ˜χ 0 j,1 and ˜l ± to within 30% on average. However if one of these is already known within 5%, the other three may be found to equal or better accuracy. Correlation between dilepton invariant mass pairs (i.e. a ’wedgebox ’ plot) ensures model-independent results. 1

연구 동기 및 목표

• 스피오테론 질량에 대한 제약 조건을 강화하기 위해 N ≤ 3에서 N = 4 최종 상태 렙톤으로의 관측 질량 분석을 확장한다.
• 중량 있는 힉스와 루프 렙톤을 포함한 4 렙톤 붕괴 체인에서 발생하는 모든 7개의 독립된 관측 질량 끝점에 대한 해석적 공식을 유도한다.
• LHC에서 끝점 측정을 통해 모델에 종속되지 않는 스파article 질량 복원의 가능성을 시험한다.
• MSSM 프레임워크 내에서 알려진 질량 입력이 복원된 질량의 정밀도에 미치는 영향을 평가한다.
• 다이레프톤 관측 질량 상관관계(웨지박스 플롯)를 사용하여 강력하고 모델에 종속되지 않는 결과를 검증한다.

제안 방법

• pp → H/A → χ̃⁰ᵢχ̃⁰ⱼ → l₁⁻l′₁⁺l₂⁻l′₂⁺ → 4l의 4 렙톤 붕괴 체인에서 발생하는 모든 7개의 독립된 관측 질량 끝점에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 특정 SUSY 모델을 가정하지 않고 운동량 끝점 운동역학을 적용하여 스파article 질량을 복원한다.
• 모델의 독립성을 보장하기 위해 상관된 다이레프톤 관측 질량의 웨지박스 플롯을 사용한다.
• 스노우마스 SPS1a 포함 세 가지 MSSM 벤치마크 점에서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 복원 정확도를 시험한다.
• 300 fb⁻¹ 통합 루미노사티 조건 하에서 실제 LHC 환경에서의 질량 복원 정밀도를 평가한다.
• 끝점 공식을 역행하여 스파article 질량을 추정하고, 입력 정밀도에 기반한 불확실성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4 렙톤 최종 상태에서의 7개의 독립된 관측 질량 끝점은 모델에 종속되지 않는 스파article 질량 결정을 위한 충분한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 300 fb⁻¹에서 끝점 측정을 통해 H/A, χ̃⁰₁ 및 루프 렙톤 질량은 얼마나 정확하게 복원될 수 있는가?
• RQ3 스파article 질량 중 하나가 5% 정확도로 사전에 알려져 있을 경우, 나머지 세 개의 질량 복원 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다이레프톤 관측 질량 상관관계(웨지박스 플롯)는 어느 정도까지 모델에 종속되지 않는 결과를 보장하는가?
• RQ5 SPS1a 포함 다양한 MSSM 벤치마크 점에서 질량 복원 불확실성은 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 300 fb⁻¹의 통합 루미노사티 조건에서 H/A, χ̃⁰₁ 및 루프 렙톤 질량은 평균적으로 약 30% 이내로 제약을 받는다.
• 스파article 질량 중 하나가 5% 이내로 알려져 있으면, 나머지 세 개의 질량은 30% 기준보다 동일하거나 더 높은 정밀도로 복원될 수 있다.
• 상관된 다이레프톤 관측 질량 쌍(웨지박스 플롯)의 사용은 모델에 종속되지 않는 질량 추출을 보장한다.
• 모든 7개의 관측 질량 끝점에 대한 해석적 공식이 여러 MSSM 파라미터 점에서 유도되고 검증되었다.
• SPS1a 벤치마크 점에서처럼 루프 렙톤 질량이 거의 딱딱한 경우에도 이 방법은 강건하게 유지된다.
• 끝점 역행은 특정 SUSY 모델 가정 없이도 스파article 질량 측정을 위한 실현 가능한 길을 제공한다.