[论文解读] Probing Supersymmetric Dark Matter and the Electroweak Sector using Vector Boson Fusion Processes: A Snowmass Whitepaper

A. G. Delannoy, Bhaskar Dutta+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 6

一句话总结

本Snowmass白皮书提出在14 TeV LHC上利用矢量玻色子融合（VBF）过程探测超对称暗物质与电弱规范 sector。通过分析包含两个前向喷胶、缺失横向动量以及轻子或τ子的末态，研究表明在1000 fb⁻¹亮度下，LHC可探测至约600 GeV的Wino暗物质，并在双轻子末态中实现300–400 GeV的5σ质量探测极限。

ABSTRACT

Vector boson fusion (VBF) processes at the Large Hadron Collider (LHC) provide a unique opportunity to search for new physics with electroweak couplings. Two studies are presented: (i) A search of supersymmetric dark matter in the final state of two VBF jets and large missing transverse energy is presented at 14 TeV. Prospects for determining the dark matter relic density are studied for the cases of Wino and Bino-Higgsino dark matter. The LHC could probe Wino dark matter with mass up to approximately 600 GeV with a luminosity of 1000 fb$^{-1}$. (ii) A search for the chargino/neutralino system in the final state of two VBF jets, missing transverse energy and two $τ$'s (light stau case) and light lepton $e$ and $μ$ (light slepton case). The $5 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive and opposite-sign $τ$ pairs are 250 GeV (300 GeV) and 200 GeV (250 GeV), respectively, for $ΔM \, = \, m_{ ildeτ_1} - m_{ eu{1}} \, = \, 30$ GeV. For $ΔM \, = \, 15$ GeV, the $3 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive $τ$ pairs is 180 GeV. The $5 σ$ mass reach at 300 fb$^{-1}$ (1000 fb$^{-1}$) of LHC14 for inclusive and opposite-sign $μ$ pairs are approximately 350 GeV (400 GeV) and 300 GeV (350 GeV), respectively. The mass reaches in the same-sign final state cases are similar to those in the opposite-sign cases.

研究动机与目标

• 研究在14 TeV LHC上通过矢量玻色子融合（VBF）过程直接产生超对称暗物质。
• 确定最轻中性ino（LSP）的质量与组分，以推断暗物质的遗迹密度。
• 在包含两个轻子或τ子的VBF末态中探测带电轻子与中性ino对，解决触发与背景挑战。
• 评估基于VBF的搜索对电弱尺度超对称的敏感度，尤其在强子色荷超对称粒子较重的情况下。
• 证明VBF触发可减少偏差，并使原本被标准触发排除的低pT末态得以探测。

提出的方法

• 利用VBF拓扑结构：两个位于相对半球的前向喷胶，且二喷胶质量较大，以识别信号事例。
• 应用运动学截断：E_T / / 缺失横向动量 > 75 GeV，孤立轻子的pT ≥ 20 GeV（μ子）或 ≥ 15 GeV（电子），并采用宽松的b-夸克判据以抑制顶夸克背景。
• 采用针对LSP质量优化的E_T / / 截断，以同时拟合缺失能量分布的形状与事例率。
• 使用信号效率与背景抑制技术，将VBF产生的超对称态与标准模型过程相分离。
• 通过蒙特卡罗模拟估算信号与背景事例率，包括QCD修正与探测器效应。
• 在不同末态间进行比较：双轻子（μ, e）、同号与异号对，以及τ子末态，考虑不同的质量差（ΔM = 15, 30 GeV）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在14 TeV LHC上，VBF过程能否探测质量高达600 GeV的超对称暗物质？
• RQ2 LHC在多大程度上可利用VBF信号与E_T / / 分布确定最轻中性ino（LSP）的质量与组分？
• RQ3 在包含两个轻子或τ子的VBF末态中，带电轻子与中性ino对产生的5σ质量探测极限是多少？
• RQ4 质量探测极限如何依赖于停微子与中性ino之间的质量差（ΔM）？
• RQ5 基于VBF的触发能否克服标准轻子触发在探测低pT末态时的局限性？

主要发现

• 在14 TeV下，1000 fb⁻¹积分亮度下，LHC可探测至约600 GeV的Wino暗物质。
• 对于100 GeV的纯Wino LSP，500 fb⁻¹数据下可将遗迹密度确定在20%以内。
• 在300 fb⁻¹下，对包含τ子的总末态与异号对末态，5σ质量探测极限分别为250 GeV与200 GeV；在1000 fb⁻¹下，ΔM = 30 GeV时分别提升至300 GeV与250 GeV。
• 对于ΔM = 15 GeV，包含τ子的总末态在300 fb⁻¹下3σ质量探测极限可达180 GeV。
• 在300 fb⁻¹下，包含μ子的总末态与异号对末态的5σ质量探测极限分别约为350 GeV与300 GeV；在1000 fb⁻¹下分别提升至400 GeV与350 GeV。
• 同号末态的质量探测极限与异号情况相近，表明在不同电荷配置下均具有稳健的探测灵敏度。