[논문 리뷰] Ultra High Jet Signals from Stringy No-Scale Supergravity

Tianjun Li, James A. Maxin외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 끈 이론에 기반한 스케일 없는 초대칭 보편 중력 모형, 특히 테브스케일의 벡터 리스크 입자를 지닌 F-이론 $SU(5)\times U(1)_X$ 모형에서 초고다중성의 제트 신호를 제안한다. LHC 데이터 선택 기준을 재정의함으로써 최소 제트 $p_T$를 20 GeV으로 낮추고 최소 9개의 제트를 요구함으로써, 신호 대 배경 비율을 29.5로 높여, $√{s} = 7$ TeV 및 1 fb$^{-1}$ 루미너스 조건에서 이전에 가려졌던 초대칭 신호를 LHC에서 발견 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present distinctive signatures of flipped F-Theory models with TeV-scale vector-like particles, a \sqrt{s} = 7 TeV 1 fb^{-1} test at LHC of a class of models well-motivated from string theory. The characteristic feature is a light stop and gluino, both sparticles lighter than all other squarks. This unique aspect of the supersymmetry spectrum generates an ultra-high multiplicity of hadronic jets. We find the optimal signal to background ratio is realized for 9 or more jets. Exclusion of the essential cuts presented here could leave the ultra-high jet signal severely attenuated and concealed.

연구 동기 및 목표

• 기존의 낮은 다중성 제트 선택 기준으로 가려져 있던 초기 LHC 데이터에서 특징적인 초대칭 신호를 식별하고 유지하는 것.
• 끈 이론에 기반한 변형된 F-이론 $SU(5)\times U(1)_X$ 모형에서 테브스케일의 벡터 리스크 입자를 지닌 경우, 가벼운 스토퍼와 글루아노가 초고다중성 제트를 생성함을 보여주는 것.
• 고다중성 제트 이벤트를 유지하는 데 도움이 되는 수정된 후처리 선택 기준을 제안함으로써, 신호의 가시성과 발견 가능성을 향상시키는 것.
• 노스케일 경계 조건과 동적 모듈러스 안정화를 포함한 엄격한 현상학적 및 상향식 이론적 제약 조건 하에서도 신호가 강인함을 입증하는 것.
• 특히 $H_T$ 스펙트럼과 제트 다중성 분포를 통해 표준모형과 최소 초대칭 보편 중력 모형과의 구별 가능성을 보여주는 것.

제안 방법

• 초기 $\cal{F}$-$SU(5)$ 통합 스케일에서 $M_0 = A = B_\mu = 0$ 이며, 슈퍼-노스케일 조건에 의해 동적으로 결정된 $M_{1/2}$와 $\tan\beta$를 포함하는 노스케일 초대칭 보편 중력 경계 조건을 채택하였다.
• 벡터 리스크 입자 기여로 인해 $\beta_3 = 0$임을 보여주는 1-루프 베타 함수 계산을 수행하여, 글루아노가 모든 스퀴어크와 스토퍼를 제외한 모든 스퀴어크보다 가벼운 것을 확인하였다.
• 벡터 리스크 입자 질량 $M_V \sim 1000$ GeV, 글루아노 질량 $m_{\tilde{g}} \sim 600$ GeV, 그리고 $\cal{F}$-$SU(5)$ 황금띠에 부합하는 가벼운 스토퍼 질량을 지닌 모형을 사용하여 충돌기 이벤트를 시뮬레이션하였다.
• 기존의 LHC 데이터 선택 기준을 수정하여 최소 제트 횡방향 운동량을 20 GeV으로 낮추고 최소 제트 수를 9개로 증가시켰다.
• $\sqrt{s} = 7$ TeV 데이터 1 fb$^{-1}$ 를 사용하여, $H_T$ 스펙트럼 분석과 이벤트 수 계산을 통해 $\cal{F}$-$SU(5)$ 신호와 SM $t\bar{t}+jets$ 및 SP3 벤치마크를 비교하였다.
• 발견 가능성 평가를 위해 신호 대 배경 비율 $S/\sqrt{B} = 29.5$ 를 계산하였으며, 이는 5-sigma 기준을 크게 초월한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 끈 이론에 기반한 스케일 없는 초대칭 보편 중력 모형이 조기에 LHC에서 검증 가능하고 표준모형과 구별되는 콜라이더 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ2 낮은 다중성 이벤트에 초점을 맞춘 기존의 LHC 제트 선택 전략은 초고다중성 제트를 갖는 모형에서 진정한 초대칭 신호를 어떻게 가려낼 수 있는가?
• RQ3 $\cal{F}$-$SU(5)$ 모형에서 고다중성 제트 신호의 유지와 가시성 향상을 위해 필요한 데이터 선택 기준의 구체적인 수정은 무엇인가?
• RQ4 글루아노가 스토퍼를 제외한 모든 스퀴어크보다 가벼운 것이 캐스케이드 붕괴 체인에서 고유한 제트 다중성 패턴을 어떻게 유도하는가?
• RQ5 물리적 또는 임의의 임계값을 도입하지 않고 최적화된 후처리 절단 조건을 통해 신호 대 배경 비율을 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• $\cal{F}$-$SU(5)$ 모형에서 노스케일 초대칭 보편 중력 경계 조건을 적용할 경우, 스토퍼와 글루아노가 모든 다른 스퀴어크보다 가벼운 조건에서 최소 9개 이상의 제트를 포함하는 특징적인 초고다중성 제트 신호가 생성된다.
• Khachatryan:2011tk 및 PAS-SUS-09-001에서 제시된 표준 CMS 절단 조건은 고다중성 제트 이벤트를 기각하여, 신호를 9개 이하의 제트로 줄여 신호 대 배경 비율을 심각하게 악화시킨다.
• 최소 제트 $p_T$ 를 20 GeV으로 낮추고 최소 제트 수를 9개로 설정함으로써, 신호 대 배경 비율이 $S/\sqrt{B} = 29.5$ 로 향상되었으며, 이는 5-sigma 발견 기준을 크게 초월한다.
• $\sqrt{s} = 7$ TeV에서 1 fb$^{-1}$ 루미너스 조건 하에서, 총 신호 이벤트 수는 93.2개이며, SP3 벤치마크의 배경 이벤트는 2.4개, $t\bar{t}+jets$의 배경 이벤트는 10개에 불과하다.
• $H_T$ 스펙트럼은 $\cal{F}$-$SU(5)$ 신호가 표준모형 및 최소 초대칭 보편 중력 배경과 명확히 분리됨을 보여주며, 이는 신호의 강인성을 확인한다.
• 이 모형은 실험적 제한에 부합하는 양성자 붕괴 확률을 예측하며, 스테우 질량이 LEP 배제 한계 근처에 있어 LHC에서 타우 입자 재구성을 통해 곧바로 발견 가능할 것으로 제안된다.