[논문 리뷰] Supersymmetry Without Prejudice at the 7 TeV LHC

John A. Conley, James S. Gainer외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 7 테바르의 LHC에서 초과 전단 에너지(E_T^miss) 기반 초대칭(SUSY) 탐지 가능성을 mSUGRA 기반의 ATLAS 탐색을 통해 광범위한 모델 독립적 71,000개의 pMSSM 모델에 대해 평가한다. 비록 강한 커버리지(50% 배경 시스테마틱 오차로 10 fb⁻¹일 때 최대 95%)를 보이지만, 특히 작은 질량 분리와 안정된 최종 상태 입자로 인해 시스템적 불확실성과 모델 특유의 운동학적 특성으로 인해 탐지가 어려운 경우가 있어 커버리지가 제한된다. 심지어 큰 생성 단면적을 가진 경우에도 마찬가지다.

ABSTRACT

We investigate the model independent nature of the Supersymmetry search strategies at the 7 TeV LHC. To this end, we study the missing-transverse-energy-based searches developed by the ATLAS Collaboration that were essentially designed for mSUGRA. We simulate the signals for ~71k models in the 19-dimensional parameter space of the pMSSM. These models have been found to satisfy existing experimental and theoretical constraints and provide insight into general features of the MSSM without reference to a particular SUSY breaking scenario or any other assumptions at the GUT scale. Using backgrounds generated by ATLAS, we find that imprecise knowledge of these estimated backgrounds is a limiting factor in the potential discovery of these models and that some channels become systematics-limited at larger luminosities. As this systematic error is varied between 20-100%, roughly half to 90% of this model sample is observable with significance S>5 for 1 fb^{-1} of integrated luminosity. We then examine the model characteristics for the cases which cannot be discovered and find several contributing factors. We find that a blanket statement that squarks and gluinos are excluded with masses below a specific value cannot be made. We next explore possible modifications to the kinematic cuts in these analyses that may improve the pMSSM model coverage. Lastly, we examine the implications of a null search at the 7 TeV LHC in terms of the degree of fine-tuning that would be present in this model set and for sparticle production at the 500 GeV and 1 TeV Linear Collider.

연구 동기 및 목표

• 모델 독립적 현상학적 MSSM(pMSSM) 프레임워크 내에서 ATLAS의 mSUGRA 기반 E_T^miss 기반 초대칭 탐색의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• mSUGRA를 위해 설계된 이러한 탐색이 더 넓고 복잡한 pMSSM 매개변수 공간을 효과적으로 커버하는지 확인하기 위해.
• 높은 생성 단면적을 가짐에도 불구하고 모델 커버리지를 떨어뜨리는 핵심 요인을 특정하기 위해(예: 작은 질량 분리 및 안정된 최종 상태 입자).
• 공백 결과가 미세조정 문제에 미치는 영향과 향후 선형 충돌기의 가능성에 대해 평가하기 위해.
• 기존 ATLAS 분석의 운동학적 컷을 개선하여 모델 커버리지를 높일 수 있는 잠재적 방법 탐색하기 위해.

제안 방법

• 현재 실험적 및 이론적 제약 조건을 모두 만족하는 19차원 매개변수 공간 내 약 71,000개의 pMSSM 모델에 대한 시뮬레이션 신호.
• ATLAS에서 생성한 SM 배경 분포를 E_T^miss 기반 탐색에 사용하며, 시스템적 오차를 20%에서 100%로 다양화.
• 통합 루미너시 1 fb⁻¹ 및 10 fb⁻¹에서의 발견 가능성을 평가하기 위해 통계적 유의도 S ≥ 5를 기준으로 삼음.
• 생성 단면적, 질량 분리(예: 글루아노–LSP), 캐스케이드 붕괴 운동학적 특성과의 관계에서 모델의 관측 가능성 분석.
• 특히 M_eff, 주요 제트의 p_T, E_T^miss에 대한 핵심 운동학적 컷 수정을 체계적인 컷 값 스캔을 통해 탐색.
• 향후 선형 충돌기에서의 미세조정(우도 기반 측정)과 스파르티클 생성 가능성에 대한 공백 결과의 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 7 테바르 LHC에서 mSUGRA 기반 E_T^miss 기반 탐색은 pMSSM 모델을 얼마나 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 생성 단면적 외에 어떤 요소가 이러한 탐색에서 pMSSM 모델의 관측 가능성을 제한하는가?
• RQ3 SM 배경 추정의 시스템적 오차는 ATLAS 탐색의 모델 커버리지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 운동학적 컷 수정을 통해 pMSSM 전반에서 발견 가능성이 얼마나 향상될 수 있는가?
• RQ5 공백 결과가 미세조정과 향후 선형 충돌기 물리에 어떤 영향을 미칠 것인가?

주요 결과

• 통합 루미너시 1 fb⁻¹일 경우 배경 시스템적 오차(20–100%)에 따라 pMSSM 모델 샘플의 약 50–90%가 탐지 가능하다.
• 4j0l 채널이 가장 높은 탐지 가능성을 보이며, 레프톤 채널은 캐스케이드 붕괴가 억제되어 상당히 낮은 커버리지 보인다.
• 저질량 글루아노 또는 스퀘어크를 가진 모델이 높은 단면적을 가짐에도 불구하고, 스퍼티클과 LSP 사이의 작은 질량 분리로 인해 종종 탐지되지 않는다.
• 탐지되지 않은 모델의 상당수는 캐스케이드 붕괴의 끝에서 탐지기 안정성 있는 스퍼티클을 포함하고 있어 E_T^miss 기반 탐색을 피한다.
• 안정된 충전 입자 탐색은 일부는 탐지할 수 있으나 모든 안정된 스퍼티클 모델을 커버하지 못하므로 커버리지가 불완전하다.
• 특히 E_T^miss와 주요 제트의 p_T 임계값을 높여 운동학적 컷을 최적화하면 감도를 희생시키지 않고도 모델 커버리지를 향상시킬 수 있다.