[논문 리뷰] Testing SUSY models for the muon g-2 anomaly via Chargino-Neutralino Pair Production at the LHC

Siba Prasad Das, Monoranjan Guchait외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 48인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 초입자 쌍의 전자약생산을 통해 125 GeV 힉스 보존, 암흑물질 잔여 밀도, 그리고 뮤온 g-2 비일관을 동시에 설명하는 비일반적인 게이지노 질량 모델을 시험한다. 삼전자 및 동일 전하 이전자 상태를 통해, 13 TeV LHC 런이 400–700 GeV 범위의 윈오 및 왼쪽 스레프톤 질량을 100 fb⁻¹ 데이터로 2σ의 정밀도까지 탐색할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Non-universal gaugino mass models can naturally account for the dark matter relic density via the bulk annihilation process with relatively light bino LSP and right sleptons in the mass range of ~ 100 GeV, while accommodating the observed Higgs boson mass of ~ 125 GeV with TeV scale squark/gluino masses. A class of these models can also account for the observed muon g-2 anomaly via SUSY loops with wino and left sleptons in the mass range of 400 -- 700 GeV. These models can be tested at LHC via electroweak production of charged and neutral wino pair, leading to robust trilepton and same sign dilepton signals. We investigate these signals along with the standard model background for both 8 and 13 TeV LHC runs.

연구 동기 및 목표

• 비일반적인 게이지노 질량 모델이 동시에 뮤온 g-2 비일관, 암흑물질 잔여 밀도, 그리고 125 GeV 힉스 보존 질량을 설명할 수 있는지 시험하기 위해.
• 전자약생산을 통한 초입자 쌍 생성을 통해 LHC에서 이러한 모델의 발견 가능성을 조사하기 위해.
• 400–700 GeV 범위의 윈오 및 왼쪽 스레프톤 질량에 대해 삼전자 및 동일 전하 이전자 상태의 감도를 평가하기 위해.
• 실제 신호 및 배경 시뮬레이션을 사용하여 8 TeV 및 13 TeV LHC 런의 예상 발견 가능성을 비교하기 위해.
• 왼쪽 스레프톤 질량이 윈오 질량과 가까워질 경우 다른 채널이 실패할 수 있는 상황에서 동일 전하 이전자 채널의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 연구는 SU(5) GUT 기반의 비일반적인 게이지노 질량 모델을 사용하며, GUT 스케일에서 이중 독립적 게이지노 질량 매개변수를 단일 및 비단일 초대칭 필드의 F-항의 기대값에서 유도한다.
• 약한 스케일 스펙트럼은 재규격화군 방정식(RGEs)을 사용하여 계산되며, 입력 매개변수로는 일반적인 스칼라 질량 m₀ 및 삼중 상호작용 상수 A₀를 포함하여 125 GeV 힉스 질량을 확보한다.
• 초입자 및 중성자 쌍 생성은 Drell-Yan 유사 과정을 통해 시뮬레이션되며, 이후 계단형 붕괴가 발생한다: χ±₁ → ℓ± ν̃ℓ → ℓ± ℓ∓ ℓ± ν̄ν로 삼전자 및 동일 전하 이전자 최종 상태를 생성한다.
• 주요 표준모형 배경(예: 쿼크 쌍 생성 및 Drell-Yan 과정)을 억제하기 위해 최적화된 운동량 절단 조건을 사용하여 신호 이벤트를 추출한다.
• 배경는 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 추정되며, t̄t 및 다중제트 이벤트 억제를 위해 제트 비트를 적용하지만, b-제트 비트가 더 효과적이라고 지적된다.
• 통계적 유의성은 예상되는 신호 및 배경 수율을 기반으로 평가되며, 발견 가능성은 5σ로 정의되고, 배제 한계는 95% 신뢰수준(C.L.)에서 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SU(5) GUT 기반의 비일반적인 게이지노 질량 모델이 동시에 뮤온 g-2 비일관, 암흑물질 잔여 밀도, 그리고 125 GeV 힉스 보존 질량을 설명할 수 있는가?
• RQ2 400–700 GeV 범위의 윈오 및 왼쪽 스레프톤 질량에 대해, LHC에서 삼전자 및 동일 전하 이전자 최종 상태에서의 초입자 쌍 생성 발견 가능성은 어떠한가?
• RQ3 왼쪽 스레프톤 질량이 윈오 질량과 거의 일치할 경우, 동일 전하 이전자 채널의 감도는 삼전자 채널과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 8 TeV 및 13 TeV LHC 데이터로 뮤온 g-2 비일관과 일치하는 매개변수 공간을 어느 정도 탐색할 수 있는가?
• RQ5 이 분석에서 예상되는 배제 한계는 8 TeV 데이터를 사용한 기존 ATLAS 및 CMS 검색 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 8 TeV LHC 런에서 20 fb⁻¹ 데이터로 삼전자 및 동일 전하 이전자 채널 모두에서 윈오 질량을 최대 500 GeV까지 탐색할 수 있으며, 이는 뮤온 g-2 비일관의 중심값 기준 1σ 범위 내에 포함된다.
• 13 TeV에서 100 fb⁻¹ 데이터로 동일 전하 이전자 채널은 윈오 질량을 최대 700 GeV까지 탐색할 수 있으며, 이는 뮤온 g-2 비일관을 2σ 유의성까지 커버한다.
• 벤치마크 포인트 BP1에서 동일 전하 이전자 채널은 26–66σ의 발견 유의성을 달성하며, 신호 이벤트 수는 125–65개이다. BP2에서는 15–39σ의 유의성과 80–40개의 신호 이벤트를 기록한다.
• 13 TeV에서 단지 20 fb⁻¹ 데이터로도 부정적 검색 결과가 윈오 질량을 600–700 GeV까지 5σ 이상의 유의성으로 배제할 수 있다.
• 왼쪽 스레프톤 질량이 윈오 질량에 매우 가까워져도 동일 전하 이전자 채널은 타당하고 배경 억제가 잘 이루어지며, 다른 채널이 실패할 수 있는 상황에서도 유의미하다.
• 이 분석에서 예상되는 95% C.L. 배제 한계는 기존 CMS의 초도 결과와 일치하며, 일부 경우에서는 더 보수적인 결과를 보이며 배경 억제 기술의 영향을 강조한다.