[논문 리뷰] Supersymmetry production cross sections in pp collisions at sqrt{s} = 7 TeV

Michael Krämer, Anna Kulesza외 5명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 38인용 수 162

한 줄 요약

이 논문은 √s = 7 TeV에서의 pp 충돌에서 초대칭(SUSY) 생성 단면적과 이론적 불확도를 계산하기 위한 표준화된 프레임워크를 제안한다. 이는 다음 준선형(Next-to-Leading Order, NLO) 및 다음 준대수 로그(Next-to-Leading Logarithmic, NLL) QCD 보정을 사용한다. 스쿼크, 글루아ино, 스토퍼, 스바텀 및 전자기력 SUSY 상태에 대한 벤치마크 단면적과 불확도 추정치를 제공하며, 특히 고질량에서 PDF와 스케일 변동에 의해 주로 결정되는 불확도가 지배한다.

ABSTRACT

This document emerged from work that started in January 2012 as a joint effort by the ATLAS, CMS and LPCC supersymmetry (SUSY) working groups to compile state-of-the-art cross section predictions for SUSY particle production at the LHC. We present cross sections for various SUSY processes in pp collisions at $\sqrt{s} =7$ TeV, including an estimate of the theoretical uncertainty due to scale variation and the parton distribution functions. Further results for higher LHC centre-of-mass energies will be collected at https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/LHCPhysics/SUSYCrossSections. For squark and gluino production, which dominate the inclusive SUSY cross section, we employ calculations which include the resummation of soft gluon emission at next-to-leading logarithmic accuracy, matched to next-to-leading order (NLO) SUSY-QCD. In all other cases we rely on NLO SUSY-QCD predictions.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 SUSY 생성 단면적에 대한 일관된 이론적 프레임워크를 수립함으로써, 특히 √s = 7 TeV에서의 pp 충돌에 초점을 맞춘다.
• NLO 및 NLL QCD 보정을 활용하여 SUSY 단면적 예측의 이론적 불확도를 감소시켜 실험적 해석의 정확도를 향상시킨다.
• 스케일 변동과 PDF 세트에서 비롯된 이론적 불확도를 다양한 SUSY 생성 채널에 걸쳐 정량화하고 표준화한다.
• ATLAS 및 CMS 협력체가 일관된 이론적 입력을 사용하여 LHC 데이터를 해석할 수 있도록 기준 자료를 제공한다.
• LHC 데이터 수집이 진행됨에 따라 더 높은 중심질량 에너지(예: 8 TeV)로 프레임워크를 확장한다.

제안 방법

• 스쿼크, 글루아ино, 스토퍼, 스바텀 쌍 생성 과정에 대해 다음 준선형(NLO) 및 다음 준대수 로그(NLL) QCD 보정을 적용한다.
• 분리 및 재정규화 스케일을 동시에 변동시켜 스케일 불확도를 추정한다(기준 스케일 μ의 0.5–2배 범위, 최종 상태 스퍼파트클 질량의 평균으로 정의됨).
• 여러 개의 PDF 세트(CTEQ6.6 및 MSTW2008)를 사용하여 PDF 관련 불확도를 평가하며, 일관된 오차 규정을 적용한다.
• 탄젠트 베타(tanβ) = 10, A₀ = 0 GeV, μ > 0 조건 하에서 CMSSM 프레임워크 내에서 색을 띠는 SUSY 상태(스쿼크, 글루아ино)와 전자기력 상태(치아린오, 뉴트랄리노, 루프톤)의 단면적을 계산한다.
• 스탑 쌍 생성에서의 탈리포딩 한계를 처리하기 위해 Prospino2를 사용하며, 가상 보정에서의 커텀 및 αs의 실행에 일관성을 확보한다.
• 다양한 PDF 세트와 스케일 변동 간의 결과 비교를 통해 총 이론적 불확도를 유도하며, m₀–m₁/₂ 질량 평면에서 시각화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 7 TeV에서의 pp 충돌에서 스쿼크 및 글루아ино 쌍 생성에 대한 NLO+NLL 단면적은 무엇이며, 그 주요 이론적 불확도는 무엇인가?
• RQ2 스케일 및 PDF 불확도가 LHC 데이터의 SUSY 배제 한계 해석에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 스탑 및 스바텀 쌍 생성에 대한 단면적과 불확도는 경량 풍미 스쿼크 생성과 어떻게 다를까?
• RQ4 전자기력 SUSY 생성(예: 치아린오/뉴트랄리노 및 루프톤 쌍 생성)의 이론적 불확도는 강한 생성 채널과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 고질량 SUSY 시나리오에서 PDF 불확도가 스케일 불확도를 얼마나 지배하는가?

주요 결과

• 색을 띠는 SUSY 상태(스쿼크 및 글루아ино)의 이론적 불확도는 고질량에서 특히 PDF 불확도에 의해 지배되며, 스케일 불확도는 일반적으로 10% 이하이다.
• 치아린오 및 루프톤 쌍 생성과 같은 전자기력 SUSY 상태의 경우 스케일 불확도는 일반적으로 10% 이하이지만, 색을 띠는 상태와의 연계 생성에서는 불확도가 최대 35%까지 올라갈 수 있다.
• 치아린오 쌍 생성의 PDF 관련 불확도는 CTEQ6.6 및 MSTW2008 세트 모두에서 5% 미만으로, 이 채널에서의 안정성이 높음을 시사한다.
• NLO+NLL 보정을 포함함으로써, 스퍼파트클 질량 근처에서 스케일을 선택할 경우, 최초의 단순선형 예측보다 단면적이 크게 증가하며 이론적 불확도 밴드가 감소한다.
• 이전의 NLO 전용 추정치에 비해 이 프레임워크는 이론적 불확도를 성공적으로 감소시켜, SUSY 탐색에서 더 정밀한 배제 한계와 발견 가능성 향상을 가능하게 한다.
• 다양한 SUSY 모델과 파라미터에 대한 단면적과 불확도의 종합적인 컬렉션은 SUSY 단면적 워킹 그룹의 twiki 페이지에서 유지되고 있으며, 향후 8 TeV 이상으로의 확장도 예정되어 있다.