[논문 리뷰] Prospects of New Physics searches using High Lumi - LHC

A. Çakır|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고광도 LHC(HL-LHC)에서 14 TeV 중심질량 에너지의 프로톤-프로톤 충돌을 3000/fb까지의 통합 루미노시티로 시뮬레이션하면서, 업그레이드된 CMS 및 ATLAS 검출기들을 사용하여 새로운 물리학의 발견 가능성을 평가한다. 증가된 루미노시티가 초월 표준모형의 초대칭, 이색 공명 및 장수입자에 대한 감도를 크게 향상시켜 현재의 한계보다 한 단계 낮은 단면적에서 새로운 물리학 모델의 발견 가능성을 가능하게 한다고 보여준다.

ABSTRACT

After the observation of a Higgs boson near 125 GeV, the high energy physics community is investigating possible next steps for entering into a new era in particle physics. It is planned that the Large Hadron Collider will deliver an integrated luminosity of up to 3000/fb for the CMS and ATLAS experiments, requiring several upgrades for all detectors. The reach of various representative searches for supersymmetry and exotica physics with the upgraded detectors are discussed in this context, where a very high instantaneous luminosity will lead to a large number of pileup events in each bunch crossing. This note presents example benchmark studies for new physics prospects with the upgraded ATLAS and CMS detectors at a centre-of-mass energy of 14 TeV. Results are shown for an integrated luminosity of 300/fb and 3000/fb.

연구 동기 및 목표

• 초과 표준모형(BSM) 물리학, 특히 초대칭 및 이색 입자 모델에서 HL-LHC의 감도 평가.
• 최대 3000/fb까지 증가된 루미노시티와 최대 140개의 상호작용이 한 번의 빛줄기 충돌에 발생하는 높은 피루프(중첩) 효과가 BSM 물리학의 발견 가능성에 미치는 영향 평가.
• 검출기 업그레이드 및 피루프 영향이 BSM 탐색에서 핵심 관측량인 HT와 MET에 미치는 영향 조사.
• 장수입자 및 무거운 공명과 같은 특정 BSM 모델의 배제 및 발견 한계 향상 예측.
• 빠른 시뮬레이션과 매개변수화된 검출기 모델을 사용하여 향후 HL-LHC 분석을 위한 벤치마크 연구 제공.

제안 방법

• CMS 및 ATLAS의 매개변수화된 빠른 검출기 시뮬레이션을 사용하여 √s = 14 TeV에서 프로톤-프로톤 충돌을 시뮬레이션.
• R-대칭 보존 초대칭(SUSY), 벡터 보손 산란, 이색 공명 등 다양한 BSM 모델의 감도 연구 수행.
• 95% 신뢰수준 및 5σ의 중요도 수준에서 신호 및 배경 템플릿의 최대우도 적합을 사용하여 배제 및 발견 한계 예측.
• 최대 140개의 상호작용이 한 번의 빛줄기 충돌에 발생하는 고피루프 조건에서 HT 및 MET 재구성 품질 저하를 고려하여 검출기 성능 열화 모델링.
• 14 TeV에서의 운동학적 및 트리거 효율 변화를 보정하면서 8 TeV 결과를 통합 루미노시티에 비례하여 선형 스케일링하여 신호 수확량 예측.
• 트래커 읽기 및 트리거 창이 검출기 업그레이드 후 변화한 점을 고려하여, 시간-비행 및 dE/dx 서명을 사용한 장수입자 탐색 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3000/fb의 통합 루미노시티를 가진 HL-LHC에서 글루아노 및 쿼크 스쿼크의 발견 가능성이 어떻게 확장되는가?
• RQ2 최대 140개의 상호작용이 한 번의 빛줄기 충돌에 발생하는 고순시 루미노시티 조건에서 HT 및 MET와 같은 핵심 관측량의 재구성 품질이 어떻게 악화되는가?
• RQ3 이중 렙톤 및 렙톤+jets 최종 상태에서 칼루차-클라인 글루온 및 무거운 Z′ 보손에 대한 이색 공명에 대한 감도는 어떻게 되는가?
• RQ4 LS3 동안의 검출기 업그레이드가 장수입자, 특히 dE/dx 및 시간-비행 측정에 있어 장수입자 탐색에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현재 LHC 결과에 비해 HL-LHC가 장수입자에 대한 배제 한계를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 3000/fb의 통합 루미노시티를 가진 HL-LHC는 단순화된 모델에서 글루아노 및 스쿼크 쌍 생성의 발견 가능성을 2.5 TeV를 초과하는 질량까지 확장할 것으로 예측된다.
• 벡터-유사 쿼크 및 무거운 공명에 대해, HL-LHC는 이중 렙톤 채널에서 95% 신뢰수준에서 최대 5.5 TeV의 Z′ 보손 질량까지 감도를 확보할 것이며, 렙톤+jets 채널에서는 5.0 TeV까지 감도 확보할 것으로 예측된다.
• t̄t 최종 상태를 통한 칼루차-클라인 글루온 감도가 크게 향상되어 5σ 중요도에서 최대 4.5 TeV의 gKK 질량까지 발견 가능성이 예측된다.
• 장수입자인 글루아노 및 토프 스쿼크의 탐색은 시간-비행 및 dE/dx 서명을 모두 측정할 수 있다고 가정할 경우, 현재 한계보다 최소 한 단계 낮은 쌍 생성 단면적까지 배제 한계를 확보할 수 있다.
• CMS 트래커 업그레이드 이후 dE/dx 측정이 더 이상 가능하지 않더라도, 시간-비행 서명만으로도 장수입자 탐색이 감도를 유지하며 더 낮은 단면적까지의 탐색 가능성을 확보할 수 있다.
• 증가된 루미노시티로 인해 무거운 안정된 전하 입자 및 스토우 쌍 생성과 같은 이색 모델의 감도가 크게 향상되어 유리한 조건에서는 0.1 pb 이하의 단면적을 가진 신호의 발견이 가능해질 것으로 예측된다.