[논문 리뷰] Reconstructing CMSSM parameters at the LHC with $\sqrt{s}=14$ TeV via the golden decay channel

Andrew Fowlie, M. Kazana외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 및 천체물리학적 데이터와 일치하는 CMSSM의 무거운 스토우-코애너히레이션 영역 내 기준점이 √s = 14 TeV에서 300 fb⁻¹ 루미노사티를 갖는 LHC에서 황금 붕괴 채널(squark → slepton → jjℓℓ̄Eₜₜ)을 통해 발견될 수 있음을 보여준다. 몬테카를로 시뮬레이션과 운동량 끝점 분석을 통해 스퍼파트클 질량이 정밀하게 측정될 수 있으며, 이는 높은 정확도로 CMSSM 매개변수를 베이지안 재구성할 수 있게 한다. 유일한 예외는 trilinear 매개변수 A₀이며, Planck 및 힉스 보손 질량 데이터를 포함할 경우 이에 대한 정확도가 향상된다.

ABSTRACT

We identify a benchmark point in the CMSSM's heavy stau-coannihilation region, which is favored by experiments, and demonstrate that it could be accessible to the LHC at $\sqrt{s}=14$ TeV with 300/fb of integrated luminosity via a golden decay measurement. With Monte-Carlo, we simulate sparticle production and subsequent golden decay at the event level and perform pseudo-measurements of sparticle masses from kinematic endpoints in invariant mass distributions. We find that two lightest neutralino masses and the first and second generation left-handed slepton and squark masses could be rather precisely measured with correlated uncertainties. We investigate whether from such measurements one could determine the CMSSM's Lagrangian parameters by including a likelihood from our pseudo-measurements of sparticle masses in a Bayesian analysis of the CMSSM's parameter space. We find that the CMSSM's parameters can be accurately determined, with the exception of the common trilinear parameter. Experimental measurements of the relic density by Planck and the Higgs boson's mass slightly improve this determination, especially for the common trilinear parameter. Finally, within our benchmark scenario, we show that the neutralino dark matter will be accessible to direct searches in future one tonne detectors.

연구 동기 및 목표

• 현재 LHC, Planck 및 힉스 보손 질량 제약 조건과 일치하는 CMSSM 기준점을 중량이 큰 스토우-코애너히레이션 영역에서 식별하기.
• √s = 14 TeV에서 300 fb⁻¹ 루미노사티 조건 하에 이 기준점이 황금 붕괴 채널(squark → slepton → jjℓℓ̄Eₜₜ)을 통해 LHC에서 발견 가능한지 평가하기.
• 이벤트 수준에서 스퍼파트클 생성 및 붕괴를 시뮬레이션하고, 관측 가능한 질량 분포의 운동량 끝점 기법을 사용하여 스퍼파트클 질량을 추출하기.
• 측정된 스퍼파트클 질량이 베이지안 추론을 통해 기저의 CMSSM 라그랑지안 매개변수를 재구성하는 데 사용될 수 있는지 조사하기.
• 재구성된 CMSSM 매개변수 기반으로 직접 암흑물질 탐지 및 희귀 붕괴 분지비에 대한 예측 능력을 평가하기.

제안 방법

• √s = 14 TeV 및 300 fb⁻¹ 루미노사티 조건에서 LHC에서 스퍼파트클 생성 및 황금 붕괴 체인(q̃ → ẽ → qℓℓ̄Eₜₜ)의 몬테카를로 시뮬레이션.
• 관측 가능한 질량 분포의 운동량 끝점 분석을 통해 두 개의 가장 가벼운 중성노의 질량, 첫 번째 족도의 왼쪽 스레프톤, 그리고 스쿼크의 질량을 추출하기.
• 측정된 스퍼파트클 질량 간 상관 불확실성을 정량화하기 위한 공분산 행렬 구축.
• 가짜 측정값으로서의 스퍼파트클 질량와 Planck(잔류 밀도) 및 힉스 보손 질량(mₕ ≈ 125 GeV)의 우도를 결합한 베이지안 통계 분석을 통해 CMSSM 매개변수 공간을 추론하기.
• 재구성된 CMSSM 매개변수 기반으로 직접 탐지에 대한 스핀-독립형 WIMP-핵자 산란 단면적(σ̂SIₚ)과 Bₛ → μ⁺μ⁻의 분지비를 예측하기.
• 미래의 1톤 직접 탐지 실험과 CTA와 같은 감마선 천체망원경에 대한 모델의 민감도 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 14 TeV 및 300 fb⁻¹ 조건에서 CMSSM 기준점이 중량이 큰 스토우-코애너히레이션 영역에서 황금 붕괴 채널을 통해 LHC에서 발견될 수 있는가?
• RQ2 황금 붕괴 체인의 운동량 끝점 기반으로 스퍼파트클 질량을 어느 정도 정밀하게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 측정된 스퍼파트클 질량을 바탕으로 베이지안 추론을 통해 CMSSM의 라그랑지안 매개변수를 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ4 Planck(잔류 밀도) 및 힉스 보손 질량 데이터의 추가 제약 조건이 A₀를 포함한 CMSSM 매개변수의 결정에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 재구성된 모델의 직접 탐지(σ̂SIₚ) 및 희귀 붕괴(Bₛ → μ⁺μ⁻) 예측이 현재 및 향후 실험 감도와 일치하는가?

주요 결과

• 중량이 큰 스토우-코애너히레이션 영역 내 CMSSM 기준점은 √s = 14 TeV 및 300 fb⁻¹ 루미노사티 조건에서 황금 붕괴 채널을 통해 LHC에서 접근 가능하다.
• 운동량 끝점 분석을 통해 두 개의 가장 가벼운 중성노 질량, 첫 번째 족도의 왼쪽 스레프톤 질량, 그리고 스쿼크 질량을 매우 정밀하게 측정할 수 있으며, 작은 상관 불확실성을 지닌다.
• 측정된 스퍼파트클 질량에서 베이지안 재구성으로 도출된 CMSSM 매개변수의 신뢰 영역은 기준값을 둘러싸며, 공통 trilinear 매개변수 A₀만 제외하고는 모두 정확하게 재현된다.
• Planck 및 힉스 보손 질량 우도를 포함함으로써 A₀의 결정 정확도가 향상되어 사후 분포의 편향과 불확실성이 감소한다.
• 예측된 스핀-독립형 WIMP-핵자 산란 단면적(σ̂SIₚ)은 한 수준 내로 제약되며, 향후 1톤 직접 탐지 실험에서 접근 가능할 것으로 예상된다.
• 모델은 Bₛ → μ⁺μ⁻의 분지비를 표준모형 값의 10% 이내로 예측하지만, 이 예측은 표준모형의 부수적 매개변수 및 CMSSM 매개변수의 오차에 의해 제한된다.