[논문 리뷰] Evaluating the ILC SUSY reach in the most challenging scenario: $\widetilde{ au}$ NLSP, low $\Delta M$ , lowest cross-section

Nunez Pardo De Vera, Maria Teresa, M. Berggren외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 국제 선형 충돌기(IJC)가 가장 도전적인 상황인, 경량 스토우(NLSP)와 LSP 사이의 질량 분리가 작고 생산 단면적이 최소인 경우, 스토우(eτ)를 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)로 발견하거나 배제할 수 있는 능력을 평가한다. ILD/DDSime 및 SGV를 활용한 세밀한 검출기 시뮬레이션을 통해, 최악의 조건(스토우 혼합 및 오버랩 트랙 포함)에서도 ILC가 운동학적 한계에 몇 GeV 내에서 배제 및 발견 한계를 확보할 수 있음을 입증하며, 장수명 스토우 서명에 대한 강력한 감도를 보여준다.

ABSTRACT

Pair-production of the superpartner of the $ au$-lepton, the $ ilde{ au}$, is one of the most interesting channels to search for SUSY in: The $ ilde{ au}$ is likely to be the lightest scalar lepton, and the signature of $ ilde{ au}$ pair production is one of the experimentally most difficult ones, thereby constituting the 'worst' possible scenario for SUSY searches. The current model-independent $ ilde{ 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. The International Linear Collider, the ILC, is a future electron-positron collider, to operate initially at an energy of 250 GeV, then to be upgraded to 500 GeV, and possibly to 1 TeV at a later stage. ILC will be a powerful facility for SUSY searches. The capability of the ILC for determining exclusion/discovery limits for the $ ilde{ au}$ in a model-independent way is shown in this paper. A detailed study of the 'worst' scenario for $ ilde{ au}$ exclusion/discovery, taking into account the effect of the $ ilde{ au}$ mixing on $ ilde{ au}$ production cross-section and detection efficiency, is presented. The study also includes an analysis of the effect of the overlay particles in the $ ilde{ au}$ searches. The conclusion is that both the exclusion and discovery reaches for this 'worst' case would extend to only a few GeV below the kinematic limit at the ILC. Also scenarios with the $ ilde{ au}$ and the Lightest SUSY Particle (the LSP) quite close in mass can be discovered or excluded at most $ ilde{ au}$ masses. The studies were done using detailed detector simulation of the ILD concept at the ILC. For signal, the fast detector simulation SGV was used, while the full Geant4 based DDSim was used for the standard model backgrounds.

연구 동기 및 목표

• 가장 도전적인 초대칭 시나리오인 eτ NLSP와 낮은 질량 분리(∆M) 및 최소 생산 단면적 조건에서 ILC의 스토우(eτ) 탐지 및 배제 능력을 평가하기 위해.
• ILC 환경에서 스토우 혼합이 eτ 쌍 생성 단면적과 탐지 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 오버랩 트랙이 eτ 탐색에서 신호 및 배경 간의 구별에 미치는 영향을 연구하기 위해.
• 스토우가 장수명으로 붕괴하는 최악의 상황에서도 ILC가 eτ에 대해 모델 독립적 한계를 확보할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 표준 모형 배경는 전체 Geant4 기반 검출기 시뮬레이션(DDSim)을 사용하였고, 신호 사건에는 빠른 시뮬레이션(SGV)을 적용하였다.
• 연구는 ILC의 중심 질량 에너지 250 GeV 및 500 GeV에서 ILD 검출기 개념을 사용하였으며, 전자 및 양성자 빔의 극화도 P(e−,e+) = (−80%, +30%) 및 (+80%, −30%)를 적용하여 혼합 각도 전반에 걸쳐 균일한 감도를 확보하였다.
• Monte Carlo 샘플은 LCC 생성기 작업 그룹의 시뮬레이션을 활용하여 스토우 및 LSP 질량의 광범위한 범위를 커버하였다.
• 신호 및 배경 사건은 검출기 효과(에너지 분辨도, 트래킹 효율성, 오버랩 트랙에 의한 피로업 포함)를 포함한 전체 이벤트 수준 시뮬레이션을 통해 재구성하였다.
• 특히 낮은 ∆M 영역에서 오버랩 트랙 배경를 억제하기 위해 컷을 적용하였다.
• 장수명 스토우 붕괴의 영향을 연구하였으며, 향후 다양한 검출기 영역에서의 붕괴에 대한 전체 시뮬레이션 계획이 수립되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가장 도전적인 상황인 낮은 질량 분리 및 최소 단면적 조건에서 ILC가 스토우 NLSP를 발견하거나 배제할 수 있는가?
• RQ2 스토우 혼합은 ILC에서 eτ 쌍 생성 단면적과 탐지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 오버랩 트랙은 eτ 탐색에서 신호 대 배경 비율을 얼마나 떨어뜨리며, 효과적인 컷을 통해 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 스토우와 LSP 질량이 거의 동일할 경우 ILC의 스토우 질량 평면에서의 탐색 능력은 어떠한가?
• RQ5 ILC는 장수명 스토우 붕괴를 배경 사건과 구별할 수 있으며, 이러한 서명에 대해 어떤 감도를 가질 수 있는가?

주요 결과

• 최악의 상황인 낮은 질량 분리 및 최소 단면적 조건에서도 ILC는 운동학적 한계에 몇 GeV 내에서 스토우 NLSP의 배제 및 발견 능력을 확보한다.
• 스토우 혼합을 고려하더라도 ILC의 감도가 크게 떨어지지 않으며, 빔 극화도가 혼합 각도 전반에 걸쳐 균일한 커버리지 보장을 한다.
• 오버랩 트랙은 특히 낮은 ∆M 영역에서 신호 대 배경 비율에 심각한 영향을 미치지만, 효과적인 컷을 통해 그 영향을 줄이고 감도를 유지할 수 있다.
• 스토우와 LSP 질량이 몇 GeV 내로 가까이 있는 시나리오에서도 대부분의 스토우 질량 범위에서 발견 또는 배제가 가능하다.
• 연구는 ILC가 모델 독립적으로 스토우 NLSP를 탐색할 수 있음을 확인하며, 이는 이 최종 상태에 대해 가장 강력한 감도를 지닌 시설임을 보여준다.
• 결과는 ILD 기반의 세밀한 검출기 시뮬레이션과 전체 Geant4 기반 재구성에 기반하여, ILC의 초대칭 탐지 잠재력이 뛰어나게 견고함을 입증한다.