[논문 리뷰] PhD Thesis - Topics in SUSY Phenomenology at the LHC

Roger H. K. Kadala|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 박사학위논문은 LHC에서의 초대칭(SUSY) 현상물리학을 다루며, 역전된 스퀘어크 질량 계층에서 제3세대 스퀘어크의 감지 능력을 향상시키기 위해 b-태깅과 토프-태깅을 활용하는 데 초점을 맞춘다. 연구는 b-제트 태깅이 LHC의 SUSY 신호 탐지 능력을 크게 향상시킴을 보여주며, 특히 가벼운 토프 및 바텀 스퀘어크의 경우에 특히 그렇다. 또한 레이저 인버티언트와 χ² 피팅을 활용해 이량자질 분포를 통해 중성노의 질량 행렬 요소를 모델에 종속되지 않게 추출하는 방법을 제안하며, 혼합 히그스ино-가우지노 시나리오에서 유망한 결과를 도출한다.

ABSTRACT

This dissertation focuses on phenomenological studies for possible signals for supersymmetric events at the Large Hadron Collider (LHC). We have divided our endeavours into three separate projects. First, we consider SUSY models where the gluino production at the LHC should be rich in top and bottom quark jets. Requiring $b$-jets in addition to missing energy $\eslt$ should, therefore, enhance the supersymmetry signal relative to Standard Model backgrounds. We quantify the increase in the supersymmetry reach of the LHC from $b$-tagging in a variety of well-motivated models of supersymmetry. We also explore $top$-tagging at the LHC. Second, we explore the prospects for detecting the direct production of third generation squarks in models with an inverted squark mass hierarchy. This is signalled by $b$-jets + $\eslt$ events harder than in the Standard Model, but softer than those from the production of gluinos and heavier squarks. We find that these events can be readily separated from SM background (for third generation squark masses in the 200-400 GeV range), and the contamination from the much heavier gluinos and squarks although formidable can effectively be suppressed. Third, we attempt to extract model-independent information about neutralino properties from LHC data. assuming only the particle content of the MSSM and that all two-body neutralino decays are kinematically suppressed, with the neutralino inclusive production yielding a sufficient cross section. We show that the Lorentz invariant dilepton mass distribution encodes clear information about the relative sign of the mass eigenvalues of the parent and daughter neutralinos. We show that we can extract most neutralino mass matrix parameters if there is a double mass edge.

연구 동기 및 목표

• 역전된 스퀘어크 질량 계층을 가진 모델에서 b-제트 및 토프-제트 태깅을 활용해 LHC의 초대칭 신호 감지 민감도를 향상시키는 것.
• mSUGRA 및 비일반적인 히그스 질량 모델을 포함한 잘 정립된 SUSY 모델에서 b-태깅이 초대칭 발견 능력에 미치는 향상 정도를 정량화하는 것.
• 200–400 GeV 범위의 질량을 가진 제3세대 스퀘어크를 역전된 질량 계층 시나리오에서 직접 탐지할 수 있는지 탐색하는 것.
• 운동학적으로 억제된 이중체 붕괴를 가정할 때, 이량자질 분포로부터 중성노의 성질에 대한 모델에 종속되지 않은 정보를 추출하는 것.
• 로레츠 불변 이량자질 분포와 χ² 피팅을 활용해 MSSM 중성노 질량 행렬 요소를 제약하는 방법을 개발하고 검증하는 것.

제안 방법

• 이벤트 생성을 위해 MADGRAPH를, parton 샤워링 및 검출기 시뮬레이션을 위해 PYTHIA를 사용한 시뮬레이션된 SUSY 이벤트.
• 역전된 질량 계층 모델에서 제3세대 스퀘어크의 신호를 분리하기 위해 b-태깅 및 토프-태깅 알고리즘을 적용.
• 중성노 질량 고유상태 성질, 특히 질량 고유값 간의 상대적 부호를 탐지하기 위해 로레츠 불변 이량자질 분포를 활용.
• 이량자질 스펙트럼과 중성노 질량 행렬 요소 간의 관계를 유도하기 위해 파이어츠 변환을 적용.
• MSSM 매개변수(M1, M2, µ, tanβ)에 대한 제약 조건을 추출하기 위해 이량자질 분포에 대해 χ² 피팅을 수행하며, 다른 매개변수에 대해 최적화를 수행.
• 표면 모형 배경를 억제하고 신호 감도를 향상시키기 위해 레프톤 pT 컷(0 GeV 및 6 GeV)을 구현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역전된 스퀘어크 질량 계층 모델에서 b-태깅이 LHC의 SUSY 신호 탐지 능력에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 SM 및 더 무거운 SUSY 배경이 존재하는 상황에서 200–400 GeV 범위의 제3세대 스퀘어크가 b-제트 + Emiss_T 서명을 통해 직접 탐지될 수 있는가?
• RQ3 로레츠 불변 이량자질 분포가 MSSM에서 중성노 질량 고유값의 상대적 부호에 대한 정보를 담고 있는가?
• RQ4 운동학적 끝점과 함께 이량자질 스펙트럼만을 사용해 MSSM 중성노 질량 행렬 요소(M1, M2, µ, tanβ)에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ5 운동학적으로 억제된 이중체 붕괴를 가진 압축된 SUSY 스펙트럼에 대해 중성노 매개변수 추정 기법이 얼마나 강인한가?

주요 결과

• b-태깅은 역전된 스퀘어크 질량 계층 모델에서 LHC의 SUSY 신호 탐지 능력을 크게 향상시키며, 특히 가벼운 토프 및 바텀 스퀘어크의 경우에 특히 그렇다.
• 제3세대 스퀘어크가 200–400 GeV 질량 범위에 있을 경우, b-제트와 미량의 횡방향 에너지(Emiss_T)를 가진 이벤트는 SM 배경과 효과적으로 분리될 수 있다.
• 최적화된 분석 컷을 통해 더 무거운 글루아노 및 스퀘어크의 오염을 억제할 수 있으며, 깔끔한 신호 추출이 가능하다.
• 로레츠 불변 이량자질 분포는 부모 및 딸 중성노 질량 고유값 간의 상대적 부호를 포함하고 있으며, 이는 모델에 종속되지 않은 제약 조건을 가능하게 한다.
• 혼합 히그스ино-가우지노 중성노에서 이중 질량 엣지가 존재하는 유리한 경우, χ² 피팅 방법은 MSSM 매개변수를 성공적으로 복원한다: M1 = −95에서 −58 GeV, M2 = 360에서 475 GeV, µ = 87에서 127 GeV이며, tanβ는 여전히 제약 없이 유지된다.
• Z 보손의 교환은 이량자질 스펙트럼에서 스레프톤의 교환을 모방할 수 있으며, 이는 해소하기 위해 추가 데이터가 필요할 수 있다.