[논문 리뷰] Simplified SUSY at the ILC

M. Berggren|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 국제 선형 충돌기(ILC)에서 초대칭(SUSY)을 위한 모델에 종속되지 않는 탐색 전략을 제안한다. 이 전략은 NLSP-LSP 질량 평면 전역에서 가능한 모든 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)를 체계적으로 탐색한다. 모든 초대칭 입자가 알려진 게이지 상호작용을 통해 표준모형(SM)과 결합한다는 사실을 활용하여, 생산 단면적과 붕괴 위상공간을 정확히 예측함으로써, 오류가 없는 초대칭 매개변수 공간의 완전한 커버리지가 가능해지며, 특히 $\tau$ 뉴트리노 수반 입자(NLSP)와 같은 어려운 케이스에서는 운동학적 한계 이하 20 GeV까지 발견 또는 배제가 가능하다.

ABSTRACT

At the ILC, one has the possibility to search for SUSY in an model-independent way: The corner-stone of SUSY is that sparticles couple as particles. This is independent of the mechanism responsible for SUSY breaking. Any model will have one Lightest SUSY Particle (LSP), and one Next to Lightest SUSY Particle (NLSP). In models with conserved R-parity, the NLSP must decay solely to the LSP and the SM partner of the NLSP. Therefore, studying NLSP production and decay can be regarded as a "simplified model without simplification": Any SUSY model will have such a process. The NLSP could be any sparticle: a slepton, an electroweak-ino, or even a squark. However, since there are only a finite number of sparticles, one can systematically search for signals of all possible NLSP:s. This way, the entire space of models that have a kinematicall y reachable NLSP can be covered. For any NLSP, the "worst case" can be determined, since the SUSY principle allows to calculate the cross-section once the NLSP nature and mass are given. The region in the LSP-NLSP mass-plane where the "worst case" could be discovered or excluded experimentally can be found by estimating background and efficiency at each point in the plane. From experience at LEP, it is expected that the lower signal-to background ratio will indeed be found for models with conserved R-parity. In this document, we show that at the ILC, such a program is possible, as it was at LEP. No loop-holes are left, even for difficult or non-standard cases: whatever the NLSP is it will be detectable.

연구 동기 및 목표

• 모든 가능한 NLSP를 대상으로 하여 ILC에서의 모델에 종속되지 않는 초대칭 발견 전략을 수립하기 위해.
• 비최소 및 R-짝비보존 모델을 포함한 모든 초대칭 모델을 커버하면서도 실험적 빈도를 남기지 않는 도전 과제를 해결하기 위해.
• ILC의 정밀도 환경이 비록 어려운 케이스인 $\tau$ 뉴트리노 수반 입자와 같은 경우에도 NLSP–LSP 질량 평면을 완전히 커버할 수 있음을 보여주기 위해.
• 오른쪽 수동 뮤온 수반 입자와 $\tau$ 뉴트리노 수반 입자 NLSP를 대표적인 벤치마크로 삼아, 두 케이스에 대한 상세한 시뮬레이션 연구를 통해 방법의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 모든 스퍼티클이 알려진 게이지 상호작용(Z 및 광자)을 통해 표준모형(SM)과 결합한다는 초대칭 기본 원리를 활용하여, 운동학적 정보만으로도 정확한 단면적 예측이 가능하다.
• NLSP 질량 $M_{\text{NLSP}}$와 LSP 질량 $M_{\text{LSP}}$의 평면 전역에서 가능한 모든 NLSP 유형(sleptons, winos, Higgsinos, squarks)을 체계적으로 스캔한다.
• NLSP가 유일하게 자신의 SM 동반 입자와 LSP로 붕괴한다는 사실을 활용하여, 깔끔한 위상공간(SM 입자 + 미량 에너지)을 확보한다.
• 각 NLSP 유형에 맞는 전용 분석 기법을 적용하며, $\tau$ 레프톤 식별 및 $\tau$ 뉴트리노 NLSP 케이스에서 배경 억제를 위한 특수 컷을 포함한다.
• 신호 효율성과 배경 억제 능력을 추정하기 위해 시뮬레이션을 활용하며, 대표적 벤치마크로 오른쪽 수동 뮤온 수반 입자 $\tilde{\mu}_R$와 $\tilde{\tau}_1$ NLSP를 사용한다.
• 각 질량 평면의 점에서 배경 추정과 검출기 효율성을 종합하여 배제 및 발견 영역을 정의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ILC에서 모든 가능한 NLSP를 빈도 없이 커버하는 모델에 종속되지 않는 초대칭 탐색 전략을 구현할 수 있는가?
• RQ2 ILC의 정밀도 환경은 비최소 또는 약한 결합을 가진 NLSP와 같은 경우에도 NLSP–LSP 질량 평면을 완전히 커버할 수 있도록 어떻게 기여하는가?
• RQ3 어려운 NLSP인 $\tilde{\tau}_1$의 발견 및 배제 한계는 무엇이며, $\tilde{\mu}_R$와 같은 간단한 케이스와 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ4 다양한 NLSP 유형에 대해 동일한 분석 프레임워크를 적용할 수 있으며, 입자 식별 및 배경 억제를 위한 소수의 수정만으로도 유사한 성능을 낼 수 있는가?
• RQ5 ILC가 운동학적 에지 재구성 및 배경 억제 능력을 통해 초대칭 매개변수 공간을 완전히 커버할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 모든 가능한 NLSP에 대해 ILC는 모델에 종속되지 않는 단면적 및 붕괴 위상공간 예측 덕분에, 오류 없이 NLSP–LSP 질량 평면을 완전히 커버할 수 있다.
• 오른쪽 수동 뮤온 수반 입자 $\tilde{\mu}_R$의 경우, 500 GeV 중심질량 에너지에서 운동학적 한계($\sqrt{s}/2$) 이하 2–3 GeV까지 발견 또는 배제가 기대된다.
• $\tilde{\tau}_1$ NLSP의 경우, 낮은 효율성과 높은 배경에도 불구하고, 운동학적 한계 이하 20 GeV까지 발견이 가능하고, 10 GeV까지는 배제가 가능하다.
• $\tilde{\tau}_1$ 분석은 비대칭 $\tau$ 붕괴에서 유래하는 $\gamma\gamma$-유사 배경을 억제하기 위해 추가 컷이 필요하지만, 여전히 강력하고 효과적이다.
• 전체 질량 평면에서 두 가지의 서로 다른 분석 절차만 필요하다: $\Delta M > 10$ GeV와 $\Delta M < 10$ GeV의 경우 각각 하나씩으로 전략을 단순화할 수 있다.
• 비최소 모델인 nMSSM나 GMSB와 같이 NLSP 또는 LSP가 싱글리노인 경우에도, NLSP가 LSP와 자신의 SM 동반 입자로 붕괴한다면 이 방법은 여전히 강력하다.