[논문 리뷰] A Comparison of Future Proton Colliders Using SUSY Simplified Models: A Snowmass Whitepaper

Timothy Cohen, T. Golling외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 29인용 수 5

한 줄 요약

이 스노우마스 화이트페이퍼는 단순화된 초대칭(SUSY) 모델을 사용하여 향후 양성자 충돌기—14 TeV LHC, 33 TeV HE-LHC, 100 TeV VLHC—의 발견 및 배제 능력을 평가한다. 주로 글루아인오-중성보, 스퀘어크-중성보, 글루아인오-스쿼크 최종 상태를 중심으로 분석한다. 높은 에너지와 루미노시티가 체계적 오차가 감소할 경우 특히 민감도를 크게 향상시키며, 현실적인 조건에서 100 TeV 충돌기는 글루아인오 질량을 최대 13.5 TeV까지 탐색할 수 있음을 확인한다.

ABSTRACT

We present a summary of results for SUSY Simplified Model searches at future proton colliders: the 14 TeV LHC as well as a 33 TeV proton collider and a 100 TeV proton collider. Upper limits and discovery significances are provided for the gluino-neutralino (for both light and heavy flavor decays), squark-neutralino, and gluino-squark Simplified Model planes. Events are processed with the Snowmass combined detector and Standard Model backgrounds are computed using the Snowmass samples. We place emphasis on comparisons between different collider scenarios, along with the lessons learned regarding the impact of systematic errors and pileup. More details are provided in a companion paper.

연구 동기 및 목표

• 향후 양성자 충돌기(14 TeV LHC, 33 TeV HE-LHC, 100 TeV VLHC)가 단순화된 초대칭(SUSY) 모델을 발견하거나 배제할 수 있는 물리적 능력을 평가하기 위해.
• 중심 질량 에너지, 통합 루미노시티, 체계적 오차의 증가가 발견 가능성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 일致된 검출기 및 배경 시뮬레이션(스노우마스 프레임워크)을 사용하여 다양한 충돌기 시나리오의 성능을 비교하기 위해.
• 100 TeV에서의 피루업 및 레프톤 고립 효과가 특히 레프톤 기반 탐색에서 성능을 얼마나 떨어뜨리는지 조사하기 위해.
• 전체 배경 시뮬레이션과 최적화된 탐색 전략을 기반으로 100 TeV 양성자 충돌기의 물리적 사례에 대한 정량적 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• 모든 충돌기 시나리오에서 신호 및 표준모형 배경를 모델링하기 위해 스노우마스 통합 검출기 및 배경 시뮬레이션 프레임워크를 사용한다.
• 4가지 다른 분석 전략을 적용한다: 제트 + 미량 운동량(\(E_T^{\text{miss}}\)), 동일 전하 이레프톤, 단일 레프톤, 압축 스펙트럼 탐색.
• 신호 기반, 단순화된 모델 기반 접근 방식을 사용하여 각 충돌기 에너지 및 루미노시티(300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹)에 최적화된 신호 영역 컷을 설정한다.
• 특히 100 TeV에서 레프톤 고립에 미치는 영향을 평가하기 위해 이벤트 및 재구성 수준에서 현실적인 피루업 영향을 통합한다.
• 체계적 오차의 영향을 정량화하기 위해 20% 및 5% 체계적 오차를 비교하여 오차가 감소할수록 성능 향상이 이루어짐을 보여준다.
• 시뮬레이션 및 분석 체인의 일관성과 신뢰성을 확보하기 위해 기존 14 TeV ATLAS 연구 결과와 결과를 대조 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 14 TeV에서 100 TeV로 중심 질량 에너지가 증가할 경우, 단순화된 SUSY 모델에서 글루아인오-스쿼크 쌍 생성의 발견 가능성이 어떻게 변화하는가?
• RQ2 300 fb⁻¹에서 3000 fb⁻¹으로 통합 루미노시티가 증가할 경우, 압축 및 비압축 SUSY 스펙트럼의 배제 및 발견 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 체계적 오차(예: 20% 대비 5%)가 글루아인오-중성보 모델(중성보 질량이 0인 경우)의 예측된 배제 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 100 TeV에서 피루업 기여가 더 강해지면서, 고에너지 충돌기에서 레프톤 기반 탐색 성능이 얼마나 떨어지는가?
• RQ5 100 TeV 충돌기는 14 TeV LHC의 운동학적 한계를 초월해 글루아인오 질량을 탐색할 수 있는가? 현실적인 조건에서 도달 가능한 최대 질량은 얼마인가?

주요 결과

• 체계적 오차를 20%에서 5%로 감소시킬 경우, 질량이 0인 중성보를 가진 글루아인오-중성보 모델에서 글루아인오 배제 한계가 300 GeV 향상된다.
• 3000 fb⁻¹의 통합 루미노시티 조건에서 14 TeV LHC는 글루아인오를 2.3 TeV에서 발견할 수 있으며(300 fb⁻¹일 경우 1.9 TeV), 배경 제한으로 인해 성능 향상이 제한되지만 여전히 뚜렷한 향상이 있다.
• 100 TeV 충돌기는 글루아인오 질량을 최대 13.5 TeV까지 탐색할 수 있으며, 이는 3000 fb⁻¹ 데이터 세트에서 약 ~60개의 SUSY 이벤트에 해당하여 근접한 최대 탐색 범위를 의미한다.
• 14 TeV 및 33 TeV에서 제트 + \(E_T^{\text{miss}}\) 탐색은 피루업 영향에 대해 강건하며, 성능에 심각한 악화가 없다.
• 100 TeV에서 레프톤 기반 탐색은 피루업 경중도 증가로 인해 레프톤 고립 효율이 떨어져 약 10%의 성능 저하를 겪는다.
• 14 TeV에서 3000 fb⁻¹ 탐색은 체계적 오차에 의해 제한된다; 컷 재최적화가 이루어지지 않으면 루미노시티 증가만으로는 성능 향상이 없으며, 이는 글루아인오 질량이 약 2.5 TeV 근처일 경우 감도에 약 25%의 미미한 향상만을 가져온다.