[논문 리뷰] Probing Supersymmetric Dark Matter and the Electroweak Sector using Vector Boson Fusion Processes: A Snowmass Whitepaper

A. G. Delannoy, Bhaskar Dutta외 9명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 스노마스 화이트페이퍼는 14 테바론 LHC에서 벡터 보존 융합(VBF) 과정을 이용해 초대칭 어두운 물질과 전약력 영역을 탐색하는 것을 제안한다. 두 개의 전방 제트, 미량 운동량, 렙톤 또는 타우를 포함하는 최종 상태를 분석함으로써, 이 연구는 LHC가 1000 fb⁻¹ 루미노시티 조건에서 약 600 GeV까지 윈오 어두운 물질을 탐색할 수 있음을 보여주며, 이중 렙톤 최종 상태에서 카이너친오/네이처리노 쌍의 경우 5σ 질량 탐색 범위가 300–400 GeV에 이르게 된다.

ABSTRACT

Vector boson fusion (VBF) processes at the Large Hadron Collider (LHC) provide a unique opportunity to search for new physics with electroweak couplings. Two studies are presented: (i) A search of supersymmetric dark matter in the final state of two VBF jets and large missing transverse energy is presented at 14 TeV. Prospects for determining the dark matter relic density are studied for the cases of Wino and Bino-Higgsino dark matter. The LHC could probe Wino dark matter with mass up to approximately 600 GeV with a luminosity of 1000 fb$^{-1}$. (ii) A search for the chargino/neutralino system in the final state of two VBF jets, missing transverse energy and two $τ$'s (light stau case) and light lepton $e$ and $μ$ (light slepton case). The $5 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive and opposite-sign $τ$ pairs are 250 GeV (300 GeV) and 200 GeV (250 GeV), respectively, for $ΔM \, = \, m_{ ildeτ_1} - m_{ eu{1}} \, = \, 30$ GeV. For $ΔM \, = \, 15$ GeV, the $3 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive $τ$ pairs is 180 GeV. The $5 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive and opposite-sign $μ$ pairs are approximately 350 GeV (400 GeV) and 300 GeV (350 GeV), respectively. The mass reaches in the same-sign final state cases are similar to those in the opposite-sign cases.

연구 동기 및 목표

• 14 테바론 LHC에서 벡터 보존 융합(VBF) 과정을 통해 초대칭 어두운 물질의 직접 생성을 조사하기 위해.
• 은하계 잔여 어둠의 물질 밀도를 유추하기 위해 가장 가벼운 중성보의 질량과 조성을 결정하기 위해.
• 두 렙톤 또는 타우를 포함하는 VBF 최종 상태에서 카이너친오 및 네이처리노 쌍을 탐색하며, 트리거 및 배경 문제에 대응하기 위해.
• 특히 무거운 색깔을 가진 스피아티클이 존재하는 시나리오에서, VBF 기반 탐색이 전약력 스케일 초대칭에 대해 얼마나 민감한지 평가하기 위해.
• 표준 트리거로는 접근이 어려운 저운동량 최종 상태를 VBF 트리거가 어떻게 비편향적으로 개선하고 접근 가능하게 하는지 보여주기 위해.

제안 방법

• 신호 이벤트를 식별하기 위해, 서로 반대 쪽 반구에 위치한 두 전방 제트와 큰 디제트 진동 질량을 가진 VBF 위상도를 활용한다.
• 운동량 분포에 대한 조건을 적용: E_T / / 미량 운동량 > 75 GeV, 고립된 렙톤(pT ≥ 20 GeV(μ) 또는 ≥ 15 GeV(e)), 그리고 토프 쿼크 배경을 억제하기 위한 느슨한 b-버전을 적용한다.
• LSP 질량에 맞춰 최적화된 E_T / / 절단 조건을 사용하여, 미량 운동량 분포의 형태와 강도를 동시에 적합한다.
• 신호 효율성과 배경 제거 기법을 활용하여, SM 과정으로부터 VBF에 의해 생성된 초대칭 상태를 분리한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여, QCD 보정 및 검출기 효과를 포함한, 신호 및 배경 수확량을 추정한다.
• 다양한 질량 분리(ΔM = 15, 30 GeV) 조건에서, 이중 렙톤(μ, e), 같은 부호 및 반대 부호 쌍, 타우 렙톤을 포함한 최종 상태 간의 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 14 테바론 LHC에서 VBF 과정을 통해 초대칭 어두운 물질을 약 600 GeV까지 탐색할 수 있는가?
• RQ2 LHC는 VBF 서명과 E_T / / 분포를 활용해 가장 가벼운 중성보(LSP)의 질량과 조성을 얼마나 정확히 결정할 수 있는가?
• RQ3 두 렙톤 또는 타우를 포함하는 VBF 최종 상태에서 카이너친오/네이처리노 쌍 생성의 5σ 질량 탐색 범위는 어느 정도인가?
• RQ4 스타우와 중성보 사이의 질량 분리(ΔM)는 질량 탐색 범위에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 VBF 기반 트리거는 표준 렙톤 트리거의 한계를 극복하여 저운동량 최종 상태를 탐색하는 데 성공할 수 있는가?

주요 결과

• 14 테바론 조건에서 1000 fb⁻¹의 통합 루미노시티를 확보할 경우, LHC는 약 600 GeV까지 윈오 어두운 물질을 탐색할 수 있다.
• 100 GeV의 순수 윈오 LSP의 경우, 500 fb⁻¹의 데이터로 잔여 밀도를 약 20% 이내로 결정할 수 있다.
• ΔM = 30 GeV 조건에서, 300 fb⁻¹일 때 포함형 및 반대 부호 타우 쌍의 5σ 질량 탐색 범위는 각각 250 GeV 및 200 GeV이며, 1000 fb⁻¹일 경우 각각 300 GeV 및 250 GeV로 증가한다.
• ΔM = 15 GeV 조건에서, 포함형 타우 쌍의 3σ 질량 탐색 범위는 300 fb⁻¹일 때 180 GeV에 이르게 된다.
• 300 fb⁻¹일 때 포함형 및 반대 부호 μ 쌍의 5σ 질량 탐색 범위는 약 350 GeV 및 300 GeV이며, 1000 fb⁻¹일 경우 각각 400 GeV 및 350 GeV로 증가한다.
• 같은 부호 최종 상태의 질량 탐색 범위는 반대 부호 경우와 유사하여, 전하 구성에 관계없이 높은 감도를 확보하고 있음을 나타낸다.