[논문 리뷰] Reach in All Hadronic Stop Decays: A Snowmass White Paper

Daniel Stolarski|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 스노마스 화이트 페이퍼는 향후 하드론 충돌기에서 완전히 하드론적 최종 상태를 사용하여 강입자 스토프 붕괴의 발견 가능성을 평가한다. 탑 태깅과 미량 횡방향 에너지 절단을 통해 배경을 억압한다. 33 테바르의 충돌기에서 3.0 테바르의 5σ 발견 가능성을 추정하고, 100 테바르 충돌기에서는 5.7 테바르를 추정하며, 고에너지 충돌기가 무거운 스토프를 탐색할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We study the discovery prospects for stops which decay to a top and a light neutralino. We consider fully hadronic decays of the tops and present an estimate for the reach at various future collider runs. Our results are summarized in Table 1.

연구 동기 및 목표

• 향후 고에너지 하드론 충돌기에서 완전히 하드론적 최종 상태에서 스토프의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• 강입자 붕괴에서 지배적인 QCD 및 $t\bar{t}Z$ 배경과 신호를 구별하는 데 도전하는 데 중점을 두기 위해.
• 최소한의 레프톤 유도 배경을 갖는 신호를 격리하는 데 있어 탑 태깅과 미량 횡방향 에너지 절단의 효과성을 평가하기 위해.
• HL-LHC, HE-LHC, VLHC를 포함한 다양한 충돌기 시나리오에서 스토프 질량과 쌍 생성 횡단면에 대한 보수적인 가능성 추정을 제공하기 위해.

제안 방법

• MadGraph 5를 사용하여 파arton 수준 시뮬레이션을 수행하여 스토프 쌍 생성의 신호 효율성과 횡단면을 계산한다.
• 엄격한 절단 조건 적용: 두 탑이 하드론적으로 붕괴(46% 효율), 하나의 b-태깅(70%), 두 탑이 탑 태깅됨(25%), 양쪽 탑의 $p_T > 500$ GeV(19% 효율).
• 배경 억압을 위해 $p_T > 500$ GeV 조건을 적용한다.
• 같은 절단 조건을 적용하여 $t\bar{t}$, 반-레프톤 탑, 그리고 은폐된 $Z$ 붕괴를 가진 $t\bar{t}Z$의 배경 횡단면을 추정한다.
• 의미 있는 간단한 공식을 사용하여 유의미성 추정: $\sigma_s = \frac{N_\sigma}{\varepsilon_s} \sqrt{\frac{\varepsilon_b \sigma_b}{L}}$, 여기서 $\varepsilon_s$는 신호 효율, $\varepsilon_b \sigma_b$는 효과적 배경 횡단면, $L$은 루미노시티이다.
• 나무 수준의 MadGraph 5 횡단면을 사용하여 추정된 횡단면을 스토프 질량 가능성으로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HE-LHC 및 VLHC와 같은 향후 하드론 충돌기에서 완전히 하드론적 붕괴에서 스토프의 실현 가능한 발견 가능성이 어떻게 되는가?
• RQ2 완전히 하드론적 최종 상태에서 지배적인 QCD 및 $t\bar{t}Z$ 배경을 억압하는 데 있어 탑 태깅과 미량 횡방향 에너지 절단이 얼마나 효과적인가?
• RQ3 고에너지에서 탑 쿼크와 안정된 중성노인으로 붕괴하는 스토프의 신호 효율은 얼마이며, 충돌기 에너지와 루미노시티와 어떻게 scaling되는가?
• RQ4 고루미노시티 LHC 조건에서의 피루프 효과가 이 채널에서 탑 태깅과 미량 에너지 재구성 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 은폐된 $Z$ 붕괴를 가진 $t\bar{t}Z$ 배경이 매우 크지만, 이 채널에서 신호를 충분한 순도로 격리하여 고에너지 충돌기에서 5σ 발견을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 1 테바르 스토프의 하드론적 붕괴에 대한 신호 효율은 탑 태깅, b-태깅, 및 운동학적 절단을 통합하여 약 0.52%로 추정된다.
• HL-LHC(14 테바르, 3 ab⁻¹)에서 5σ 발견 가능성은 약 1.2 테바르의 스토프 질량으로 추정되며, 이는 쌍 생성 횡단면 1.1 fb에 해당한다.
• 33 테바르 충돌기에서 3 ab⁻¹일 경우, 5σ 발견 가능성이 3.0 테바르의 스토프 질량까지 확장되며, 횡단면 가능성이 91 ab에 이른다.
• 100 테바르 충돌기에서 1 ab⁻¹일 경우, 5σ 발견 가능성이 5.7 테바르의 스토프 질량까지 도달하며, 횡단면 가능성이 200 ab에 이른다.
• 고에너지에서 $t\bar{t}Z$ 배경은 은폐된 $Z$ 붕괴를 가진 지배적인 배경이지만, 딱딱한 미량 에너지 절단으로 인해 여전히 보조적 배경이다.
• 이 연구는 충돌기 에너지가 증가할수록 배경 억압 능력이 크게 향상됨을 발견하였으며, 이는 33 테바르 및 100 테바르 충돌기에서 무거운 스토프의 발견이 가능하다는 것을 시사한다.