[논문 리뷰] SUSY searches at ATLAS

S. Caron, collaboration, ATLAS|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 2010년 LHC 런 동안 35 pb⁻¹의 데이터를 사용하여 7 TeV 중심질량 에너지에서의 proton-proton 충돌에서 초대칭(SUSY)에 대한 ATLAS의 첫 번째 검색을 제시한다. 잔여 횡방향 운동량, 제트, 렙톤을 포함한 다수의 최종 상태를 사용하여, 표준모형 예측을 초과하는 유의미한 초과가 관측되지 않았으며, 스쿼크 및 글루아이노 쌍 생성에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정하였다.

ABSTRACT

First ATLAS searches for signals of Supersymmetry in proton-proton collisions at the LHC are presented. These searches are performed in various channels containing different lepton and jet multiplicities in the final states; the full data sample recorded in the 2010 LHC run, corresponding to an integrated luminosity of 35 $ m{pb}^{-1}$, has been analysed. The limits on squarks and gluinos are the most stringent to date.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 ATLAS 검출기로 proton-proton 충돌에서 초대칭(SUSY)의 증거를 검색하기 위해.
• 특히 R-포탄 보존 SUSY에 대해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대해 모델 독립적 및 모델 특정 배제 한계를 설정하기 위해.
• 다중제트, 렙톤, 잔여 횡방향 운동량 최종 상태에서 표준모형 배경을 데이터 기반 기법을 사용하여 통제하고 추정하기 위해.
• 장수명, 느린 이동의 거대한 입자(SMPs), 특히 안정된 스쿼크 및 글루아이노에서 유래하는 R-하드론의 서명을 탐색하기 위해.
• 효율적 질량 및 횡방향 질량과 같은 운동학적 변수를 사용하여 여러 최종 상태를 조합함으로써 SUSY 감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 큰 잔여 횡방향 운동량, 다수의 제트, 고립된 렙톤(전자 또는 뮤온)을 포함하는 이벤트를 대상으로 하는 일반적인 검색 전략을 사용하였다.
• 신호 영역을 $E_{\text{T}}^{\text{miss}} > 125$ GeV, $E_{\text{T}}^{\text{miss}} > 0.25m_{\text{eff}}$, 및 $m_{\text{eff}} > 500$ GeV로 정의하였으며, 여기서 $m_{\text{eff}}$는 세 개의 주요 제트, 렙톤 및 잔여 횡방향 운동량의 횡방향 운동량의 합이다.
• W+jets 및 톰 쿼크 쌍에서의 배경 기여를 추정하고 검증하기 위해 ($E_{\text{T}}^{\text{miss}}$, $M_T$) 평면상의 제어 영역(CRs)과 검증 영역(VRs)을 사용하였다.
• 가짜 렙톤 및 QCD 다중제트 배경을 추정하기 위해 데이터 기반 기법을 적용하였으며, 배경 분포를 모델링하기 위해 운동량과 $\beta\tau$ 측정치의 무작위 조합을 사용하였다.
• 느린 이동 입자를 식별하기 위해 피크셀 검출기(비례 $dE/dx$)와 타일 칼로미터(시간 도달)를 사용하였으며, 입자 질량을 $p/\beta\gamma$를 통해 추정하였다.
• 관측된 데이터를 사용하여 95% 신뢰수준에서 단면적 한계를 설정하였으며, 몬테카를로 시뮬레이션 및 이론 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2010년 LHC 데이터를 사용하여 R-포탄 보존 SUSY에서 스쿼크 및 글루아이노 쌍 생성에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계는 무엇인가요?
• RQ2 효율적 질량 및 횡방향 질량과 같은 운동학적 변수는 SUSY 검색에서 표준모형 배경을 억제하는 데 얼마나 효과적인가요?
• RQ3 고잔여 에너지 최종 상태에서 가짜 렙톤 및 QCD 다중제트 배경을 신뢰할 수 있는 데이터 기반 방법으로 추정할 수 있는가요?
• RQ4 안정된 스쿼크 및 글루아이노에서 유래하는 장수명 R-하드론에 대한 제약 조건은 느린 이동 입자 서적으로 어떻게 도출되는가요?
• RQ5 관측된 한계는 이전 실험(CDF, D0, LEP) 및 이론적 예측과 비교하여 어떻게 다른가요?

주요 결과

• ATLAS는 스쿼크 및 글루아이노 쌍 생성에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정하였으며, mSUGRA 모델에서 글루아이노의 경우 800 GeV 이상, 스쿼크의 경우 900 GeV 이상의 질량에서 95% 신뢰수준 배제 한계를 확보하였다.
• 1-렙톤, 동일 전하 이렙톤, 반대 전하 이렙톤 최종 상태를 포함한 분석된 모든 채널에서 유의미한 초과가 관측되지 않았다.
• R-포탄 파괴 SUSY의 경우, 단일 결합 우세성과 특정 결합 값($\lambda'_{311}=0.11$, $\lambda_{312}=0.07$)을 가정할 때, 750 GeV 이하의 타우 스누트린이 배제되었다.
• 느린 이동 입자에 대한 검색에서 질량 > 100 GeV인 후보는 관측되지 않았으며, 이로 인해 현재까지 가장 엄격한 하한 질량 한계가 도출되었다: 안정된 스바텀의 경우 294 GeV, 안정된 스토프의 경우 309 GeV, 안정된 글루아이노의 경우 562–586 GeV.
• $(m_{\tilde{g}}, m_{\tilde{q}})$ 평면에서의 배제 한계는 현재까지 가장 엄격하며, CDF, CMS 및 ALEPH의 이전 결과를 초월하였다.
• 운동량과 $\beta\tau$ 조합의 무작위 조합을 사용한 데이터 기반 배경 추정 방법은 시뮬레이션에 의존하지 않고 $\beta\gamma$ 분포의 尾부를 성공적으로 모델링하였다.