[논문 리뷰] The ATLAS Leptonic-$Z$ Excess from Light Squark Productions in the NMSSM Extension with a Heavy Dirac Gluino

Ran Ding, Yizhou Fan외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 무거운 디르악 글루ино와 가벼운 제1 및 제2세대 스퀴어크를 가진 NMSSM의 초대칭 확장 모델을 제안하며, ATLAS의 3σ 레프톤-Z 초과 현상을 설명한다. Z 보손은 스퀴어크 쌍 생성 이후 계단식 붕괴 $χₗ₂^{0} \to \tilde{\chi}_1^0 Z$ 에서 기인하며, ATLAS와 CMS의 제약 조건을 종합적으로 고려할 경우 모델은 최대 15개의 신호 사건을 도출할 수 있다. 이는 관측된 초과 현상과 1σ 이내이다.

ABSTRACT

The ATLAS Collaboration announced a 3$σ$ excess in the leptonic-$Z+jets+\met$ channel. We show that such an excess can be interpreted in the extension of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) with a heavy Dirac gluino and light squarks. The abundant $Z$ bosons can be produced by light squark pair productions with the subsequent decays $ ilde{q} o q ildeχ_2^0 o q Z ildeχ_1^0$. We investigate the relevant parameter space by considering the constraints from both the ATLAS and CMS direct SUSY searches. Our model can provide sufficient $Z$-signal events in large parameter space if only the ATLAS searches are considered. After combining the ATLAS and CMS searches, the maximal number of signal events can still reach about 15, which is within the $1σ$ region of the observed excess. For comparison, we study the conventional low energy NMSSM with a Majorana gluino and its maximal number of signal events are about 11, although we cannot realize such model in the known supersymmetry breaking scenarios.

연구 동기 및 목표

• MSSM을 초월하는 초대칭 모델을 통해 ATLAS의 3σ 레프톤-Z 초과 현상(81–101 GeV 이중 레프톤 질량, 제트, 부족 에너지)을 설명한다.
• ATLAS의 관측 초과 현상과 CMS의 null 결과 간의 괴리 문제를 해결하기 위해 LHC 초대칭 탐색 제약 조건을 종합적으로 분석한다.
• NMSSM에서의 무거운 디르악 글루ино가 자연스러운 자연성 조건을 유지하면서도 스퀴어크 계단식 붕괴를 통해 필요한 Z 보손을 자연스럽게 생성할 수 있는지 탐색한다.
• 디르악 글루ино 모델의 신호 생성 능력이 전통적인 메이저라 노 gluino를 가진 일반 NMSSM과 어떻게 비교되는지 분석한다.
• ATLAS와 CMS의 직접 초대칭 탐색 제약 조건을 모두 충족하면서도 현실적인 수준의 신호 사건 수로 초과 현상을 설명할 수 있는 타당한 매개변수 영역을 규명한다.

제안 방법

• 무거운 디르악 글루ино($m_{\tilde{g}} \approx 2.6$ TeV)와 가벼운 제1 및 제2세대 스퀴어크($m_{\tilde{q}} \in [600,900]$ GeV)를 가진 NMSSM 확장 모델을 수립한다.
• 스инг린 형태의 LSP($\tilde{\chi}_1^0$)와 빈오 형태의 NLSP($\tilde{\chi}_2^0$)를 통해 계단식 붕괴 $\tilde{q}\tilde{q} \to q\tilde{\chi}_2^0 \to q\tilde{\chi}_1^0 Z$ 를 구현하여 Z 보손을 생성한다.
• ATLAS 및 CMS의 직접 초대칭 탐색에서 적용된 절단 조건을 반영하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행해 신호 단면적과 사건 수를 계산한다.
• ATLAS 전용 및 ATLAS+CMS 병합 제약 조건 하에서 최대 신호 사건 수($N_{\text{Sig}}$)를 계산하며, $R^{\max}_{\text{ATLAS}}$ 및 $R^{\max}_{\text{ATLAS+CMS}}$ 를 의미도 지표로 사용한다.
• 디르악 글루ино 모델과 기존의 메이저라 노 글루이고를 가진 일반 NMSSM을 비교하여 스퀴어크 쌍 생성 단면적과 그에 따른 신호 빈도를 분석한다.
• 브랜치 비율이 $\tilde{q} \to q\tilde{\chi}_2^0$ 와 $\tilde{\chi}_2^0 \to \tilde{\chi}_1^0 Z$ 에서 모두 100%에 가까워지도록 질량 분리 $m_{\tilde{\chi}_2^0} - m_{\tilde{\chi}_1^0} \approx 100$ GeV 를 고정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 디르악 글루이고와 가벼운 스퀴어크를 가진 NMSSM 확장 모델이 ATLAS의 3σ 레프톤-Z 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 ATLAS와 CMS의 직접 초대칭 탐색 제약 조건을 종합적으로 고려할 경우, 이 모델이 도출할 수 있는 최대 신호 사건 수는 얼마인가?
• RQ3 디르악 글루ино 모델의 신호 생성 빈도는 메이저라 노 글루이고를 가진 기존 NMSSM과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 ATLAS와 CMS의 제약 조건을 모두 충족하면서도 초과 현상을 설명할 수 있는 스퀴어크와 중성미량의 질량 영역은 어디인가?
• RQ5 신호 빈도가 유사한데도 불구하고 디르악 글루ино 모델이 메이저라 노 글루이고 모델보다 더 넓은 타당한 매개변수 영역을 가지는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• ATLAS 전용 제약 조건 하에서 모델은 최대 19개의 신호 사건을 도출할 수 있으며, 벤치마크 포인트 bench1($m_{\tilde{q}} = 639$ GeV, $m_{\tilde{\chi}_2^0} = 398$ GeV) 에서는 $N_{\text{Sig}} = 19$ 이고 $R^{\max}_{\text{ATLAS}} = 0.56$ 를 기록한다.
• CMS 제약 조건까지 포함한 후 최대 신호 사건 수는 15개로 감소하며, 이는 관측된 초과 현상과 1σ 이내의 의미도를 가지게 된다. 이는 벤치마크 bench2($m_{\tilde{q}} = 642$ GeV, $m_{\tilde{\chi}_2^0} = 428$ GeV) 에서 확인된다.
• 기존의 메이저라 노 글루이고를 가진 일반 NMSSM은 ATLAS와 CMS의 병합 제약 조건 하에서 최대 11개의 신호 사건만 생성할 수 있으며, 이는 초과 현상을 완전히 설명하기에는 부족하다.
• 디르악 글루ино 모델은 같은 카이랄리티 쿠플링 덕분에 스퀴어크 쌍 생성 단면적이 증가하여, 메이저라 노 경우보다 더 높은 신호 빈도를 기대할 수 있다.
• ATLAS 제약 조건 하에서는 $m_{\tilde{q}} \in [650,750]$ GeV 와 $m_{\tilde{\chi}_2^0} \in [200,400]$ GeV 영역이 타당하며, 이 경우 $R^{\max}_{\text{ATLAS}} \approx 0.84$ 이다.
• CMS 제약 조건은 ATLAS보다 훨씬 더 엄격하여 초과 현상을 설명하는 데 기여하는 대부분의 매개변수 영역을 배제하며, 오직 CMS 배제 곡선 근처의 좁은 영역만 타당하게 남는다.