[논문 리뷰] $\widetilde{ au}$ searches at the ILC

Nunez Pardo De Vera, Maria Teresa, M. Berggren외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 많은 슈퍼대칭(SUSY) 시나리오에서 가장 가벼운 스레프톤인 타우 레프톤의 전하를 띤 스퍼레프톤 파트너(eτ)의 모형 독립적 발견 또는 배제를 위한 국제 선형 충돌기(ILC)의 가능성을 평가한다. 최적화된 이벤트 재구성과 편광 의존성 단면적 모델링을 통해, 이 연구는 혼합에 의해 최소 생산 단면적이 되는 가장 나쁜 경우에도 ILC가 거의 운동역학적 한계까지 eτ 쌍 생성을 탐색할 수 있음을 입증한다. 이는 LEP 및 LHC의 한계를 초월하는 배제 및 발견 한계를 달성한다.

ABSTRACT

The direct pair-production of the superpartner of the $ au$-lepton, the $\widetilde{ au}$, is one of the most interesting channels to search for SUSY in. First of all, the $\widetilde{ au}$ is likely to be the lightest of the scalar leptons. Secondly the signature of $\widetilde{ au}$ pair production signal events is one of the experimentally most difficult ones, thereby constituting the 'worst' possible scenario for SUSY searches. The current model-independent $\widetilde{ au}$ limits comes from analyses performed at LEP but they suffer from the limited energy of this facility. Limits obtained at the LHC do extend to higher masses, but they are only valid under strong assumptions. ILC, a future electron-positron collider with energy up to 500 GeV and upgrade capability\footnote{The initial ILC energy is planned to be 250 GeV.}, is a promising facility for SUSY searches. The capability of the ILC for determining exclusion/discovery limits for the $\widetilde{ au}$ in a model-independent way is shown in this paper, together with an overview of the current state-of-the-art. Results of the last studies of $\widetilde{ au}$ pair-production at the ILC are presented, showing the improvements with respect to previous results.

연구 동기 및 목표

• 가장 도전적인 상황에서도 모형 독립적으로 eτ 스레프톤을 발견하거나 배제할 수 있는 ILC의 능력을 평가하기 위해.
• 실제 eτ 혼합과 질량 차이를 고려하여 LEP 및 LHC의 기존 한계를 향상시키기 위해.
• 혼합에 의해 단면적이 최소화되는 경우에도 ILC가 운동역학적 한계에 가까운 eτ 질량을 탐색할 수 있음을 입증하기 위해.
• 가장 나쁜 상황에서 신호 민감도를 향상시키기 위해 빔 편광과 맞춤형 재구성을 사용하는 것이 유효함을 검증하기 위해.
• 타우 질량 이하의 질량 차이를 가진 장수명 eτ 상태에 대해 분석을 확장하여, 비틀린 트랙과 큰 영향 거리와 같은 서명을 고려하기 위해.

제안 방법

• LCC 생성기 워킹 그룹에서 제공한 몬테카를로 샘플을 사용하여 ILC의 질량 중심 에너지 250 GeV 및 500 GeV에서 e+e− → eτ eτ̄ 이벤트를 시뮬레이션한다.
• P(e⁻, e⁺) = (+80%, −30%)로 편광 의존성 단면적 모델링을 적용하여 신호 대 배경 비율을 극대화하고 가장 나쁜 상황을 모델링한다.
• 같은 편의 레프톤 또는 혼합된 하드론/레프톤 제트를 포함하는 이벤트를 제거하기 위해 타우 식별 알고리즘을 구현하여 배경을 감소시킨다.
• eτ 질량과 질량 차이(∆M)에 따라 개별적인 배제 및 발견 한계를 사용하여 매개변수 공간 전반에서 민감도를 최적화한다.
• 운동역학적 재구성과 이벤트 분류를 수행하여 신호와 배경을 구분하며, 부족 에너지 및 제트 토폴로지 등을 고려한다.
• 비틀린 트랙과 큰 영향 거리와 같은 서명을 사용하여 이격된 피크점에서의 붕괴를 모델링함으로써 장수명 eτ 상태로 분석을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합에 의해 최소 단면적이 되는 상황에서도 ILC가 eτ 쌍 생성에 대해 모형 독립적인 배제 및 발견 한계를 달성할 수 있는가?
• RQ2 빔 편광은 특히 가장 나쁜 상황에서 eτ 생성에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 향상된 재구성 기술과 배경 억제가 LEP 및 LHC에 비해 ILC의 탐색 범위를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 질량 차이가 타우 질량 이하인 장수명 eτ 상태에 대해 ILC의 민감도는 어떠한가?
• RQ5 Meτ–∆M 평면 전반에서 ILC의 한계는 기존 LEP 및 LHC 제약 조건과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 혼합에 의해 최소 단면적이 되는 가장 나쁜 상황에서도 ILC는 거의 운동역학적 한계까지 95% 신뢰수준의 배제 한계를 확보한다.
• 500 GeV에서 1.6 ab⁻¹의 통합 루미노사티를 확보할 경우, 거의 질량이 없는 LSP를 가진 경우 ILC는 약 240 GeV까지의 eτ 질량을 배제할 수 있으며, 이는 LEP 및 LHC의 한계를 초월한다.
• 연구는 편광이 신호 대 배경 비율을 크게 향상시키며, (+80%, −30%) 빔 편광 조합이 가장 나쁜 상황에서의 민감도에 최적임을 보여준다.
• 특히 저 ∆M 영역에서 질량 및 ∆M 의존성 한계를 사용할 경우, 이전의 굵은 ∆M 구간에 비해 배제 및 발견 한계가 크게 향상된다.
• 고질량, 저∆M 영역에서 ILC의 예측 한계는 LEP 및 LHC를 초월하며, 이 연구는 250 GeV 및 1 TeV 운용 시나리오에 대한 외삽 예측도 제공한다.
• 분석은 eτ가 작은 단면적과 부분적으로 투명한 붕괴 제품으로 인해 탐지하기 가장 어려운 스레프톤임을 확인하며, 이는 SUSY 발견 한계의 기준점이 된다.