[논문 리뷰] ATLAS Run 2 searches for electroweak production of supersymmetric particles interpreted within the pMSSM

G. Aad, B. Abbott외 2987명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS Run 2 데이터(√s = 13 TeV에서 140 fb⁻¹)로부터 전약 생성의 초대칭 채리노 및 뉴트랄리노에 대한 제약 조건을 제시한다. 이를 19개의 매개변수를 가진 현상학적 MSSM(pMSSM) 프레임워크 내에서 해석한다. 연구 결과, 가벼운 뉴트랄리노가 암흑물질 잔류 밀도를 충족시킬 수 있는 힉스 및 Z 보손 '펑글 영역'이 거의 완전히 배제되었으며, 이는 타당한 초대칭 매개변수 공간을 크게 좁혔다.

ABSTRACT

A summary of the constraints from searches performed by the ATLAS collaboration for the electroweak production of charginos and neutralinos is presented. Results from eight separate ATLAS searches are considered, each using 140 fb$^{−1}$ of proton-proton data at a centre-of-mass energy of $ \sqrt{s} $ = 13 TeV collected at the Large Hadron Collider during its second data-taking run. The results are interpreted in the context of the 19-parameter phenomenological minimal supersymmetric standard model, where R-parity conservation is assumed and the lightest supersymmetric particle is assumed to be the lightest neutralino. Constraints from previous electroweak, flavour and dark matter related measurements are also considered. The results are presented in terms of constraints on supersymmetric particle masses and are compared with limits from simplified models. Also shown is the impact of ATLAS searches on parameters such as the dark matter relic density and the spin-dependent and spin-independent scattering cross-sections targeted by direct dark matter detection experiments. The Higgs boson and Z boson ‘funnel regions’, where a low-mass neutralino would not oversaturate the dark matter relic abundance, are almost completely excluded by the considered constraints. Example spectra for non-excluded supersymmetric models with light charginos and neutralinos are also presented.[graphic not available: see fulltext]

연구 동기 및 목표

• ATLAS Run 2에서 전약 생성의 초대칭 입자를 19개 매개변수를 가진 현상학적 MSSM(pMSSM) 프레임워크 내에서 해석하기.
• 이 탐색 결과가 암흑물질 잔류 밀도, 스핀-독립 및 스핀-의존 산란 단면적에 미치는 영향 평가하기.
• LHC, 플레이버, 암흑물질 실험의 제약 조건을 고려하여, 여전히 타당한 가벼운 채리노 및 뉴트랄리노를 가진 모델을 식별하고 제시하기.

제안 방법

• √s = 13 TeV에서 140 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용해 채리노 및 뉴트랄리노의 전약 생성을 위한 여덟 개의 별도 ATLAS 탐색 분석하기.
• R-대칭 보존을 가정하고, 가장 가벼운 뉴트랄리노를 암흑물질 후보로 간주하여 결과를 pMSSM 내에서 해석하기.
• 이전의 전약, 플레이버 및 암흑물질 실험의 제약 조건을 통합하여 매개변수 공간의 제약 범위를 더욱 정밀하게 조정하기.
• ATLAS 제약 조건을 단순화 모델의 제약 조건과 비교하여 다양한 질량 영역에서의 감도 평가하기.
• 남아있는 모델에 대해 잔류 밀도 및 직접 탐측 단면적(스핀-독립 및 스핀-의존) 평가하기.
• 미래 탐색을 안내하기 위해, 가벼운 채리노 및 뉴트랄리노를 가진 배제되지 않은 모델의 예시 스펙트럼 생성하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS Run 2에서 전약 SUSY 생성에 대한 제약 조건을 고려한 후 pMSSM 매개변수 공간의 어느 영역이 여전히 타당한가?
• RQ2 ATLAS 탐색이, 가벼운 뉴트랄리노가 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 자연스럽게 충족시킬 수 있는 힉스 및 Z 보손 '펑글 영역'을 어느 정도 배제하는가?
• RQ3 채리노 및 뉴트랄리노 질량에 대한 감도 측면에서 ATLAS 제약 조건은 단순화 모델의 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 LHC, 플레이버 및 암흑물질 실험의 통합 제약 조건은 직접 암흑물질 탐측 실험에 어떤 영향을 미치는가? 특히 스핀-독립 및 스핑-의존 산란 단면적 측면에서.
• RQ5 가벼운 채리노 및 뉴트랄리노를 가진 어떤 모델이 아직 배제되지 않았으며, 향후 LHC 탐색을 안내할 수 있는가?

주요 결과

• 힉스 및 Z 보손 '펑글 영역'—가벼운 뉴트랄리노가 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 자연스럽게 달성할 수 있는 영역—는 ATLAS Run 2와 기타 측정 결과의 통합 제약 조건으로 거의 완전히 배제되었다.
• ATLAS Run 2 탐색의 제약 조건은 특히 압축된 질량 분리(Δm(˜χ⁰₁, ˜χ⁰₂) 또는 Δm(˜χ⁰₁, ˜χ±₁)) 영역에서 전약이노의 타당한 매개변수 공간을 크게 줄였다.
• 500 GeV 이하의 가벼운 채리노 및 뉴트랄리노를 가진 모델은 pMSSM 매개변수 공간의 특정 영역에서만 타당하며, 제시된 예시 스펙트럼을 통해 이를 입증했다.
• ATLAS 탐색에서 유도된 스핀-독립 및 스핀-의존 암흑물질 산란 단면적 제약 조건은 압축된 질량 영역에서 직접 탐측 실험과 경쟁 가능한 수준이다.
• LHC, 플레이버 및 암흑물질 실험의 통합 제약 조건은 pMSSM 매개변수 공간의 대부분을 배제했으며, 특히 저질량 전약이노의 경우 더욱 뚜렷하다.
• 이 연구는 가벼운 채리노 및 뉴트랄리노를 가진 배제되지 않은 스펙트럼을 식별함으로써, 향후 LHC 탐색을 위한 업데이트된 모델 기반 지침을 제공한다.