[논문 리뷰] Search for stealth supersymmetry in final states with two photons, jets, and low missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2366명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 스텔스 초대칭을 탐색하며, 두 개의 양자, 잡이, 그리고 낮은 미측도 횡방향 운동량(pT^miss)을 포함하는 최종 상태에 초점을 맞춘다. 이는 경량 중력보 LSP와 압축된 은신 부문을 가진 모델의 특징이다. CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하고 배경 추정 방법으로 데이터 제어 샘플과 시뮬레이션 보정을 조합한 하이브리드 기법을 적용하여, 95% 신뢰수준에서 글루아인 질량은 최대 2150 GeV, 슈크워크 질량는 최대 1850 GeV까지 배제한다. 이는 낮은 pT^miss 영역에서의 제약 조건을 확장한다.

ABSTRACT

The results of a search for stealth supersymmetry in final states with two photons and jets, targeting a phase space region with low missing transverse momentum (pTmiss), are reported. The study is based on a sample of proton-proton collisions at s=13 TeV collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb-1. As LHC results continue to constrain the parameter space of the minimal supersymmetric standard model, the low pTmiss regime is increasingly valuable to explore. To estimate the backgrounds due to standard model processes in such events, we apply corrections derived from simulation to an estimate based on a control selection in data. The results are interpreted in the context of simplified stealth supersymmetry models with gluino and squark pair production. The observed data are consistent with the standard model predictions, and gluino (squark) masses of up to 2150 (1850) GeV are excluded at the 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• 낮은 미측도 횡방향 운동량 영역에서 표준 모형 초대칭 탐색이 덜 민감한 상황에서 스텔스 초대칭을 탐색하기 위해.
• 이중 양자 + 잡이 + 낮은 pT^miss 최종 상태에서 표준 모형 배경을 정확하게 추정하는 데 도전하기 위해.
• 압축된 중성자인 및 은신 부문 싱글리노를 통해 붕괴하는 글루아인 및 슈크워크 쌍 생성을 포함한 단순화된 모델을 테스트하기 위해.
• ST 스케일링 가정을 시뮬레이션 기반 보정으로 대체하여 배경 추정을 향상시키기 위해.
• 이전에 제약이 덜된 초대칭 매개변수 공간에서 글루아인 및 슈크워크 질량의 배제 한계를 확장하기 위해.

제안 방법

• 데이터 제어 샘플을 사용해 초기 배경 추정을 도출하고, 주요 표준 모형 과정의 시뮬레이션 샘플을 이용해 보정하는 하이브리드 배경 추정 기법을 사용한다.
• ST 스케일링 가정에 대한 시뮬레이션 기반 보정을 통해 이중 양자 배경을 모델링하여, 낮은 pT^miss 영역에서 정확도를 향상시킨다.
• 두 개의 양자, 다수의 잡이, 낮은 pT^miss를 포함하는 사건을 선별하며, 이는 경량 중력보 LSP를 포함하는 스텔스 초대칭 붕괴와 일치한다.
• 싱글리노(100 GeV)와 스칼라 싱글렛(90 GeV)의 고정 질량을 가진 단순화된 모델을 사용하고, 10 GeV의 질량 분리로 스텔스 메커니즘을 강제한다.
• 글루아인 질량(1250–2350 GeV)과 슈크워크 질량(1100–2000 GeV)에 대해 이중 차원 스캔을 수행하며, 운동학적 경계 근처에서는 더 세밀한 샘플링을 수행한다.
• 중성자인 질량은 글루아인 또는 슈크워크 질량보다 150 GeV에서 100 GeV까지 낮춘다. 이는 붕괴 체인인 글루아인/슈크워크 → 쿼크 + 중성자인 → 양자 + 중력보의 구조를 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 낮은 미측도 횡방향 운동량을 가진 이중 양자 + 잡이 최종 상태에서 스텔스 초대칭을 관측할 수 있는가?
• RQ2 ST 스케일링 가정에 의존하지 않고 낮은 pT^miss 영역에서 표준 모형 배경을 얼마나 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ3 압축된 은신 부문을 가진 단순화된 스텔스 초대칭 모델에서 글루아인 및 슈크워크 질량의 개선된 배제 한계는 무엇인가?
• RQ4 시뮬레이션 기반 보정의 포함이 배경 추정 및 최종 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 표준 초대칭 모델을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해 CMS 실험은 낮은 pT^miss 영역에서 얼마나 넓은 탐색 범위를 확보하는가?

주요 결과

• 관측된 데이터는 표준 모형 예측과 일치하며, 이중 양자 + 잡이 + 낮은 pT^miss 최종 상태에서 유의미한 초과가 관측되지 않았다.
• 고정된 싱글리노 및 스칼라 질량을 가진 단순화된 스텔스 초대칭 모델에서 95% 신뢰수준에서 글루아인 질량은 최대 2150 GeV까지 배제된다.
• 95% 신뢰수준에서 슈크워크 질량는 최대 1850 GeV까지 배제되며, 압축되고 낮은 pT^miss 초대칭 매개변수 공간에서의 탐색 범위를 확장한다.
• 시뮬레이션 기반 보정 방법은 특히 낮은 pT^miss 영역에서 ST 스케일링 가정보다 배경 추정 정확도를 향상시킨다.
• 결과는 낮은 에너지 손실을 포함하는 최종 상태에서 스텔스 초대칭을 탐색하는 것이 가능함을 보여주며, 직접 초대칭 탐색이 높은 pT^miss 서명을 제약하는 상황에서 점점 더 중요한 영역이 되고 있음을 시사한다.
• 이 연구는 두 개의 양자와 낮은 pT^miss를 포함하는 스텔스 초대칭 프레임워크에서 글루아인 및 슈크워크 질량에 대해 지금까지 가장 엄격한 제약 조건을 제공한다.