[논문 리뷰] Stealth Stops and Spin Correlation: A Snowmass White Paper

Zhenyu Han, Andrey Katz|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스위프트 스토퍼(stealth stops)—질량이 거의 일치하는 스토퍼로, 토퍼 쿼크와 가벼운 중성노를 방출하는 것으로, 표준모형 t\bar{t} 사건과 유사하며, 미량의 횡방향 에너지 손실을 보이는 사건들을 탐지하기 위해 상위 쿼크 스핀 상관관계를 사용하는 것을 조사한다. 포함형 스핀 상관관계 분석은 큰 PDF 불확실성으로 인해 어려움을 겪지만, 체계적 불확실성이 감소하고 신호-배경 분리가 크게 향상되는 저효율 질량($M_{\text{eff}}<400$ GeV) 영역에서는 강력한 잠재력을 보인다.

ABSTRACT

Stops with the mass nearly degenerate with the top mass, decaying into tops and soft neutralinos, are usually dubbed "stealth stops". Their kinematics looks very similar to that of the standard tops events, which leads to events with little or no excess of missing transverse energy. This complicates the probing of this region of the stop parameter space by hadron colliders, rendering the application of standard searching techniques challenging. In this Snowmass white paper we reanalyze the spin correlation approach to the search of stealth stops, focusing on the feasibility of this search at the 14 TeV LHC. We find, while the statistical limitations significantly shrink compared to the low-luminosity 8 TeV run, the systematic PDF uncertainties pose the main obstacle. We show that the current understanding of PDFs probably does not allow us to talk about top and stop discrimination via spin correlation in the inclusive sample. On the other hand the systematic uncertainties significantly shrink if only events with low center of mass energy are considered, rendering the search in this region feasible.

연구 동기 및 목표

• 스위프트 스토퍼(질량이 거의 일치하는 스토퍼로, 미량의 에너지 손실을 보이는)를 상위 쿼크 붕괴 제품물의 스핀 상관관계를 통해 탐지하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 14 TeV LHC에서 상위 쿼크 스핀 상관관계를 이용해 스위프트 스토퍼 사건과 표준모형 t\bar{t} 사건을 구분할 수 있는지 타당성을 평가하기 위해.
• 포탄 분포 함수(PDF) 불확실성이 포함형 및 저-$M_{\text{eff}}$ 사건 표본에서 스핀 상관관계 측정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 스핀 상관관계 기법이 체계적 제약 조건을 극복하고 $5\sigma$ 민감도를 달성할 수 있는 운동학적 영역을 특정하기 위해.

제안 방법

• 연구는 이중 레프톤 붕괴 채널에서 두 레프톤 간의 방향각 차이 $\Delta\phi_{ll}$를 중심으로, 붕괴 제품물의 각도 분포를 사용한 상위 쿼크 스핀 상관관계 분석을 수행한다.
• 사건들은 고효율 질량($M_{\text{eff}}$) 및 저효율 질량($M_{\text{eff}}$) 백터로 나뉘며, $M_{\text{eff}} = p_T(l_1) + p_T(l_2) + \sum p_T(j_i) + \not{E}_T$로 정의되어, 더 강한 스핀 상관관계와 감소된 PDF 민감도를 가진 영역을 고립한다.
• 신호(톱 쿼크 + 스위프트 스토퍼)와 배경(순수 t\bar{t}) 가설을 비교하기 위해 로그우도비 $L$을 구성하며, 1차 순서 행렬 요소와 파arton 슈로드 이벤트를 사용한다.
• 체계적 불확실성은 CTEQ6m PDF 세트의 변형을 사용하여 평가되며, 스핀 상관관계 서명에 영향을 주는 $q\bar{q}$ 및 $gg$ 초기 상태의 차이에 중점을 둔다.
• 포함형 사건 표본과 저-$M_{\text{eff}}$ 하위표본을 비교하여, 스핀 상관관계가 PDF 불확실성에 더 강건한 영역를 고립한다.
• 이 방법은 최악의 경우 PDF 변형에서도 저-$M_{\text{eff}}$ 영역에서 신호+배경 우도 분포가 배경 전용 가설과 잘 분리되어 있음을 보여줌으로써 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 14 TeV LHC에서 상위 쿼크 스핀 상관관계를 사용해 스위프트 스토퍼 사건과 표준모형 t\bar{t} 사건을 구분할 수 있는가?
• RQ2 포탄 분포 함수(PDF) 불확실성이 포함형 사건 표본에서 스핀 상관관계 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 효율 질량($M_{\text{eff}}<400$ GeV) 영역으로 분석을 제한하면 체계적 불확실성이 감소하고 신호 분리가 향상되는가?
• RQ4 $q\bar{q}$ 및 $gg$ 초기 상태 간의 스핀 상관관계 강도는 어떻게 다른가? 그리고 측정 신뢰도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 체계적 과제가 존재하더라도 스핀 상관관계 기법이 $5\sigma$의 정확도로 스위프트 스토퍼 발견을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 포함형 사건 표본에서는 $q\bar{q}$ 및 $gg$ 초기 상태 간의 스핀 상관관계의 차이로 인해 PDF 불확실성이 상위 쿼크 쌍과 스위프트 스토퍼 붕괴에서 유래한 상위 쿼크 쌍을 신뢰성 있게 구분하는 데 장애가 된다.
• 저-$M_{\text{eff}}$ 사건($M_{\text{eff}}<400$ GeV)에서는 스핀 상관관계 신호가 더 강하며, 방향각 차이 $\Delta\phi_{ll}$ 분포에서 더 뚜렷한 신호 형태를 보인다.
• 최악의 경우 PDF 변형(CTEQ6m)에서도 저-$M_{\text{eff}}$ 사건의 로그우도비는 신호+배경과 배경 전용 가설 간에 뛰어난 분리를 보인다.
• 저-$M_{\text{eff}}$ 영역에서는 강력한 신호-배경 분리가 이루어지며, 향후 탐지에 있어 이 운동학적 하위표본이 유망한 것으로 나타났다.
• 포함형 표본은 PDF 불확실성으로 인해 손상되었지만, 저-$M_{\text{eff}}$ 영역는 100 fb$^{-1}$ 루미너스에서 $5\sigma$ 민감도로 스위프트 스토퍼를 탐지할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다.
• 연구는 이 방법을 포함형 표본으로 확장하기 위해서는 향상된 PDF 지식이 필수적이라고 결론 내리며, 저-$M_{\text{eff}}$ 접근법은 여전히 강건한 대안으로 남아 있다.