[논문 리뷰] Probing light bino and higgsinos at the LHC

Chengcheng Han|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 14 TeV LHC에서 단순화된 MSSM 프레임워크 내에서 경량 빈오-유사 LSP와 히iggsино-유사 NLSP의 탐지 가능성을 조사한다. 카르기노와 네이처널리노 쌍 생성에서 유도된 삼레프톤 최종 상태에 대한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해, 40–60 GeV 빈오 질량과 160–300 GeV 히iggsино 질량 사이의 영역이 300 fb⁻¹ 루미노사티이티에서 3σ의 의미 수준으로 탐지 가능하다는 것을 발견하였으며, 이는 현재의 윈오-유사 카르기노 경계로 인한 제한된 배제 영역에도 불구하고 성립한다.

ABSTRACT

Motivated by the naturalness, we study a simplified MSSM scenario where only the bino-like LSP and higgsino-like NLSP are light. We first scan the parameter space of this scenario, considering the constraints from the Higgs mass, flavor physics, electroweak precision measurements and dark matter experiments. Then in the allowed parameter space, we perform a Monte Carlo simulation for the $ ildeχ^\pm_1 ildeχ^0_{2,3}$ production followed by $ ildeχ^\pm_1 o W^\pm ildeχ^0_1$ and $ ildeχ^0_{2,3} o Z ildeχ^0_1$. By examining the presently available trilepton bounds on the wino-like chargino/neutralino, we find that only a narrow region $40\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_1} \lesssim 50\, m{GeV}$ and $160\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_{2,3}} \lesssim 170\, m {GeV}$ on the plane of $m_{ ildeχ^0_1}-m_{ ildeχ^0_{2,3}}$ can be excluded. Finally, we explore the potential of trilepton signature in probing such a scenario at 14 TeV LHC and find that the region with $40\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_1} \lesssim 60\, m {GeV}$ and $160 m {GeV}\,\lesssim m_{ ildeχ^0_{2,3}} \lesssim 300\, m{GeV}$ can be covered at $3σ$ level with luminosity ${\cal L}=300$ fb$^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 단지 경량 빈오 LSP와 히iggsино NLSP만을 포함하는 천연성에 기반한 단순화된 MSSM 시나리오를 탐색하기 위해.
• 히iggs 질량, 플레이버 물리학, 전자기약정밀도, 어두운 물질 제약 조건을 만족하는 타당한 매개변수 영역을 식별하기 위해.
• 14 TeV LHC에서 이러한 시나리오에 대한 삼레프톤 서명의 탐지 가능성을 평가하기 위해.
• 윈오-유사 카르기노/네이처널리노 탐색 결과를 히iggsино NLSP와 빈오 LSP의 맥락에서 재해석하기 위해.
• 300 fb⁻¹ 루미노사티이티를 가진 향후 LHC 탐색의 민감도 도달 범위를 결정하기 위해.

제안 방법

• M₁ (1–100 GeV), μ (100–300 GeV), tanβ (3–60)에 대한 전반적 매개변수 스캔을 수행하였으며, 스토퍼 섹터 매개변수(700–2000 GeV, −3–3 TeV)도 변동시켰다.
• 히iggs 질량 제약(123–127 GeV)은 FeynHiggs 2.8.9와 HiggsBounds 3.8.0를 사용하여 적용하였다.
• 플레이버 물리학과 전자기약정밀도 측정은 SuperIso v3.3를 사용하여 2σ 범위 내에서 제약하였다.
• Prospino2.1을 사용하여 $\tilde{\tilde{\chi}}^{\pm}_{1}\tilde{\chi}^{0}_{2,3}$ 생성에 대한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였으며, 이후 붕괴 체인 $\tilde{\chi}^{\pm}_{1} \to W^\pm \tilde{\chi}^{0}_{1}$ 와 $\tilde{\chi}^{0}_{2,3} \to Z \tilde{\chi}^{0}_{1}$ 를 고려했다.
• 배경( t\bar{t}, 듀얼보존)은 8 TeV에서 MadGraph로 시뮬레이션하고, 실험적 단면적 비율을 사용하여 14 TeV로 스케일링하였으며, 10%의 체계적 불확실성을 적용하였다.
• 유의성은 $ S / \sqrt{B + (0.1B)^2} $ 를 통해 계산하였으며, 신호 및 배경 이벤트 모두에 동일한 운동학적 컷을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 히iggs 물리학, 플레이버, 전자기약정밀도, 어두운 물질 제약 조건으로부터의 실험적 제약 조건을 만족하는 빈오–히iggsино 질량 평면의 어떤 영역이 타당한가?
• RQ2 NLSP가 윈오-유사가 아니라 히iggsино-유사일 경우, 현재의 삼레프톤 탐색 결과가 윈오-유사 카르기노/네이처널리노에 대한 매개변수 영역을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 14 TeV LHC에서 300 fb⁻¹ 루미노사티이티를 가진 삼레프톤 서명이 경량 빈오 및 히iggsино 상태를 얼마나 탐지할 수 있는가?
• RQ4 빈오 LSP와 히iggsино NLSP가 존재할 경우, 윈오-유사 시나리오와 비교해 신호 위상도와 배경 거부 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 PLANCK 어두운 물질 잔류 밀도와 일치하는 매개변수 영역이 2σ 또는 3σ의 유의 수준에서 탐지 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 현재 윈오-유사 카르기노/네이처널리노 생성에 대한 삼레프톤 경계로 인해 유일하게 배제되는 영역은 $ 40\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{1}} \lesssim 50\,\text{GeV} $ 와 $ 160\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{2,3}} \lesssim 170\,\text{GeV} $ 사이의 좁은 영역 뿐이다.
• 삼레프톤 서명은 300 fb⁻¹ 루미노사티이티에서 $ 40\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{1}} \lesssim 60\,\text{GeV} $ 와 $ 160\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{2,3}} \lesssim 300\,\text{GeV} $ 영역을 3σ의 의미 수준으로 탐지할 수 있다.
• WZ 배경 운동학적 영역 근처의 일부 매개변수 영역은 여전히 2σ 이하의 유의 수준을 유지하지만, 루미노사티이티가 증가함에 따라 더 접근 가능해진다.
• 2σ PLANCK 어두운 물질 잔류 밀도와 일치하는 영역은 일반적으로 2σ 유의 수준에서 커버되며, 일부 영역은 5σ 탐지 가능성을 가지는 것으로 나타났다.
• 실험적 스케일 팩터를 사용하여 8 TeV에서의 MadGraph 시뮬레이션을 14 TeV로 스케일링함으로써 배경 추정이 향상되었으며, 이는 시뮬레이션과 실험 간의 불일치를 감소시켰다.
• 10%의 체계적 불확실성 하에서도 유의성이 견고하였으며, Z가 풍부한 영역은 주로 WZ 배경에 의해 지배되고, Z가 부족한 영역은 t\bar{t} 배경에 의해 지배된다.