[论文解读] R-Parity violating minimal supergravity at the LHC

B. C. Allanach, M. A. Bernhardt+4 more|ArXiv.org|Oct 10, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文研究了R-宇称破坏的最小超引力（mSUGRA）模型，其中右 sleptron（stau）成为最轻的超对称粒子（LSP），从而开启了大型强子对撞机（LHC）新的现象学可能性。与标准mSUGRA不同，右 sleptron通过R-宇称破坏耦合衰变，产生带有位移顶点、多轻子和多τ末态的信号——即使在缺失横向动量不大的情况下，也能提供独特的实验信号。

ABSTRACT

We consider the case where supersymmetry with broken R-parity is embedded in the minimal supergravity model (mSUGRA). This alters the standard mSUGRA spectrum and opens a wide range in parameter space, where the scalar tau is the lightest supersymmetric particle, instead of the lightest neutralino. We study the resulting LHC phenomenology. Promising signatures would be detached vertices from long-lived staus, multi lepton final states and multi-tau final states. We investigate in detail the corresponding cross sections and decay rates in characteristic benchmark scenarios.

研究动机与目标

• 探索R-宇称破坏mSUGRA模型中右 sleptron作为最轻超对称粒子（LSP）的现象学，重新开启在R-宇称守恒情景下被排除的参数空间。
• 识别右 sleptron-LSP情景下可行的LHC信号，特别是与标准R-宇称守恒超对称信号不同的信号。
• 分析R-宇称破坏耦合如何改变衰变链和末态可观测量，尤其与传统超对称模型进行对比。
• 通过详细的基准分析（包括分支比和运动学分布）评估右 sleptron-LSP情景的可探测性。
• 强调需要开展超越标准缺失能量信号的专门实验搜索，因为在某些情况下（如二体衰变）缺乏显著的缺失横向动量。

提出的方法

• 采用mSUGRA框架，包含五个参数（M₀, M₁/₂, A₀, tanβ, sgn(μ)）在GUT尺度下，通过引入单一R-宇称破坏耦合（λ′ᵢⱼₖ, λᵢⱼₖ, 或 λ″ᵢⱼₖ）进行扩展。
• 利用跑动方程将软对称性破缺参数和耦合从GUT尺度演化至电弱尺度。
• 进行详细的谱计算，确定右 sleptron及其他超对称粒子的质量，并计算右 sleptron通过R-宇称破坏相互作用的衰变宽度。
• 通过蒙特卡罗事件生成分析LHC信号，重点关注右 sleptron-LSP衰变为SM粒子（包括τ子、轻子、喷胶和中微子）的四体和二体衰变。
• 利用基准情景（BC1和BC2）评估关键可观测量，如缺失横向动量（p̸T）、喷胶数量、τ子识别效率和位移顶点信号。
• 应用运动学截断并重建末态，包括利用τ子和喷胶的pT分布来区分信号与背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在R-宇称破坏mSUGRA中，右 sleptron-LSP的主要衰变模式是什么？这些模式如何依赖于R-宇称破坏耦合的选择？
• RQ2 由此产生的LHC信号（如多轻子、多τ和位移顶点信号）与R-宇称守恒mSUGRA中的信号有何不同？
• RQ3 在某些情景中（如二体衰变）缺失横向动量较小，这在多大程度上影响右 sleptron-LSP事例的可探测性？
• RQ4 在质量谱相同的不同基准情景中，运动学特性（如τ子和喷胶的pT谱）及喷胶数量如何变化？
• RQ5 长寿命右 sleptron产生的位移顶点能否提供一种清晰的信号以识别右 sleptron-LSP事例，尤其是在缺失能量减少的情况下？

主要发现

• 在基准情景BC1中，GUT尺度下λ′₂₁₁ ≈ 10⁻⁵时，右 sleptron-LSP通过四体衰变过程衰变为一个τ子、两个带电轻子和一个中微子，产生中等缺失横向动量的多轻子和多τ末态。
• 在BC2中，GUT尺度下λ′₃₁₁ ≈ 3.5×10⁻⁷时，右 sleptron-LSP主要通过二体衰变衰变为两个喷胶（ud），导致缺失横向动量显著减少，且每事件喷胶数量高达6–8个。
• BC2中右 sleptron-LSP的衰变长度为cτ ≈ 0.3 mm，产生可被探测的位移顶点，是识别长寿命右 sleptron的关键信号。
• 在BC2中，χ₀¹ → ττ̃ 衰变产生的τ子pT谱平均值低于BC1，导致τ子识别困难，因能量降低且喷胶活动增强。
• 在BC1中，τ子的高pT尾部（pT ≥ 30 GeV）有利于识别，且末态中微子的存在确保了部分缺失横向动量，尽管相比R-宇称守恒模型有所减少。
• BC2中的事例分数显示，14%的事例包含一个τ⁺和一个τ⁻，7.1%的事例包含两个τ⁺且无带电轻子，凸显了强子末态和τ子丰富末态的主导性。