[논문 리뷰] Search for supersymmetry in a final state containing two photons and missing transverse momentum in $\sqrt{s}$ = 13 TeV $pp$ collisions at the LHC using the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 두 개의 광자와 큰 미측도 횡방향 운동량을 가진 사건에서 초대칭을 탐색한다. 신호 사건은 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 관측된 상한선 0.93 fb는 일반화된 게이지 매개 초대칭 모형에서 빈티모드로 간주되는 다음으로 가벼운 초대칭 입자(이하 NLSP)가 존재할 경우 글루아인 질량에 대해 1650 GeV 이상의 하한선을 제시한다.

ABSTRACT

A search has been made for supersymmetry in a final state containing two photons and missing transverse momentum using the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search makes use of 3.2 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV in 2015. Using a combination of data-driven and Monte-Carlo-based approaches, the Standard Model background is estimated to be $0.27^{+0.22}_{-0.10}$ events. No events are observed in the signal region; considering the expected background and its uncertainty, this observation implies a model-independent 95% CL upper limit of 0.93 fb (3.0 events) on the visible cross section due to physics beyond the Standard Model. In the context of a generalized model of gauge-mediated supersymmetry breaking with a bino-like next-to-lightest supersymmetric particle, this leads to a lower limit of 1650 GeV on the mass of a degenerate octet of gluino states, independent of the mass of the lighter bino-like neutralino.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV의 pp 충돌 데이터 3.2 fb⁻¹를 사용하여 두 개의 고립 광자와 큰 미측도 횡방향 운동량을 가진 최종 상태에서 표준모형을 초월하는 물리학을 탐색한다.
• 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)가 빈티모드이며 광자와 중력보로 주로 붕괴하는 일반화된 게이지 매개 초대칭(GGM) 모형을 시험한다.
• 이 GGM 모형의 맥락에서 질량이 유사한 글루아인 8중항의 질량에 대한 제약 조건을 설정한다.
• 더 높은 중심질량 에너지와 향상된 검출기 성능을 활용하여 이전의 8 TeV 데이터를 사용한 탐색보다 향상된 감도를 확보한다.
• 디포톤 + E_T^miss 최종 상태에서 새로운 물리학의 가시 단면적에 대한 모형 독립적 상한선을 제시한다.

제안 방법

• 표준모형 배경를 추정하기 위해 데이터 기반 기법과 몬테카를로 기반 기법을 사용하여, 결과적으로 0.27⁺⁰.²²₋₀.₁₀ 개의 사건으로 추정하였다.
• 디포톤 + 미측도 횡방향 운동량 사건이 풍부한 신호 영역을 정의하였으며, 광자에 대해 운동학적 조건과 고립 조건을 적용하고 높은 E_T^miss를 요구하였다.
• GGM 모형에서 질량이 유사한 글루아인 8중항과 빈티모드로 간주되는 NLSP를 가진 신호 사건을 시뮬레이션하기 위해 Herwig++ 2.7.1과 CTEQ6L1 PDF를 사용하였다.
• 강한 진동 생성 과정에 대해 QCD에서의 다음 주요 순서 계산과 소프트 광자 재정렬을 사용하여 신호 단면적을 계산하였다.
• 13 TeV에서 유일하게 접근 가능한 입자는 글루아인과 빈티모드로 간주되는 NLSP이며, 나머지 스퍼파트클들은 생성이 불가능할 정도로 너무 무거운 질량을 가진다고 가정한 단순화된 모델 프레임워크를 적용하였다.
• 낮은 질량에서 NLSP의 붕괴는 100%로 γ + 중력보로 일어나며, 고온에서 붕괴 분율은 cos²θ_W에 수렴하여 주로 디포톤 최종 상태가 된다고 가정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV의 pp 충돌에서 두 개의 고립 광자와 큰 미측도 횡방향 운동량을 가진 사건의 관측된 비율은 얼마인가?
• RQ2 95% 신뢰수준에서 디포톤 + E_T^miss 최종 상태에서 새로운 물리학의 가시 단면적에 대한 상한선은 얼마인가?
• RQ3 빈티모드로 간주되는 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)를 가진 일반화된 게이지 매개 초대칭 모형에서 글루아인 질량에 대한 하한선은 얼마인가?
• RQ4 디포톤 + E_T^miss 서명은 13 TeV에서 GGM 모형의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 ATLAS 검출기는 글루아인 쌍 생성과 그 후 광자 및 중력보로의 붕괴에 대해 어떤 감도를 가지는가?

주요 결과

• 신호 영역에서 어떤 신호 사건도 관측되지 않았으며, 기대되는 표준모형 배경(0.27⁺⁰.²²₋₀.₁₀ 개의 사건)과 일치한다.
• 모형 독립적인 95% 신뢰수준에서 디포톤 + E_T^miss 최종 상태에서 새로운 물리학의 가시 단면적에 대해 0.93 fb의 상한선이 설정되었다.
• 빈티모드로 간주되는 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)를 가진 일반화된 GGM 모형의 맥락에서 질량이 유사한 글루아인 8중항 상태의 질량에 대해 1650 GeV 이상의 하한선이 확립되었다.
• 이 질량 한계는 더 가벼운 빈티모드로 간주되는 중성보의 질량과 무관하여 NLSP 질량 변화에 대해 강건함을 보였다.
• 더 높은 중심질량 에너지와 향상된 검출기 성능 덕분에 이전의 8 TeV 탐색보다 향상된 감도를 확보하였다.
• 연구 범위의 전 질량 범위에서 빈티모드로 간주되는 NLSP의 γ + 중력보 붕괴 분율이 지배적이며, 디포톤 서명이 청결한 탐사 수 Mittel로 유효함을 검증하였다.