[論文レビュー] $\widetilde{ au}$ searches at the ILC

Nunez Pardo De Vera, Maria Teresa, M. Berggren+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、多くのSUSYシナリオにおける最軽量超対称粒子であるタウレプトンの電荷を帯びた超対称パートナー（eτ）のモデルに依存しない発見または除外のための国際線形衝突装置（ILC）の有効性を評価する。最適化されたイベント再構築と偏光依存の断面積モデル化を用いて、本研究は、混合による断面積が最小となる最悪の状況下でも、ILCがeτ対生成をほぼ運動限界まで探査できることを示している。これは、LEPおよびLHCの限界を超える除外および発見の到達可能性を実現する。

ABSTRACT

The direct pair-production of the superpartner of the $ au$-lepton, the $\widetilde{ au}$, is one of the most interesting channels to search for SUSY in. First of all, the $\widetilde{ au}$ is likely to be the lightest of the scalar leptons. Secondly the signature of $\widetilde{ au}$ pair production signal events is one of the experimentally most difficult ones, thereby constituting the 'worst' possible scenario for SUSY searches. The current model-independent $\widetilde{ au}$ limits comes from analyses performed at LEP but they suffer from the limited energy of this facility. Limits obtained at the LHC do extend to higher masses, but they are only valid under strong assumptions. ILC, a future electron-positron collider with energy up to 500 GeV and upgrade capability\footnote{The initial ILC energy is planned to be 250 GeV.}, is a promising facility for SUSY searches. The capability of the ILC for determining exclusion/discovery limits for the $\widetilde{ au}$ in a model-independent way is shown in this paper, together with an overview of the current state-of-the-art. Results of the last studies of $\widetilde{ au}$ pair-production at the ILC are presented, showing the improvements with respect to previous results.

研究の動機と目的

• 最も挑戦的な状況下でも、ILCがeτ超対称粒子をモデルに依存しない方法で発見または除外できる能力を評価すること。
• 現実的なeτ混合および質量差を考慮することで、LEPおよびLHCの既存の限界を改善すること。
• 混合によって断面積が最小化される場合でも、ILCが運動限界に近いeτ質量を探査できる可能性を示すこと。
• 最悪の状況下での信号感度を向上させるために、ビーム偏光と特化した再構築手法の有効性を検証すること。
• タウ粒子質量未満の質量差を有する長寿命eτ状態に対して、主頂点外での崩壊を考慮して解析を拡張すること。

提案手法

• LCCジェネレータワーキンググループが提供するモンテカルロサンプルを用いて、ILCの中心系エネルギ―250 GeVおよび500 GeVにおけるe+e− → eτ eτ̄ イベントをシミュレートする。
• P(e⁻, e⁺) = (+80%, −30%) の偏光依存断面積モデル化を適用し、信号対背景比を最大化するとともに、最悪の状況をモデル化する。
• 同一フレーバーのレプトンまたは混合したハドロン・ジェット／レプトンジェットを含むイベントを除外するτ識別アルゴリズムを実装してバックグラウンドを低減する。
• eτ質量および質量差(∆M)に依存する個別の除外および発見限界を用いて、パrameter空間全体での感度を最適化する。
• 運動量再構築とイベント分類を実施し、運動量未検出エネルギーおよびジェットトポロジーを考慮して、信号とバックグラウンドを区別する。
• 長寿命eτ状態の解析を拡張するため、ずれた頂点での崩壊をモデル化し、カーブドトラックや大きなインパクトパラメータなどのシグネチャを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合による断面積が最小となる状況下でも、ILCがeτ対生成に対してモデルに依存しない除外および発見限界を達成できるか？
• RQ2 ビーム偏光は、特に最悪の状況下でeτ生成への感度にどのように影響するか？
• RQ3 改善された再構築技術およびバックグラウンド抑制が、LEPおよびLHCと比較してILCの到達範囲をどの程度向上させるか？
• RQ4 質量差がタウ粒子質量未満の長寿命eτ状態に対するILCの感度はどの程度か？
• RQ5 Meτ–∆M平面上で、ILCの限界はLEPおよびLHCの既存制約とどのように比較されるか？

主な発見

• 混合による断面積が最小となる最悪の状況下でも、ILCはeτ対生成に対して95%信頼水準の除外限界をほぼ運動限界まで達成できる。
• 500 GeVで1.6 ab⁻¹の統合した光度を有する場合、ほぼ質量がゼロのLSPを想定すると、ILCは約240 GeVまでのeτ質量を除外可能であり、これはLEPおよびLHCの限界を上回る。
• 本研究は、偏光が信号対背景比を顕著に向上させることを示しており、(+80%, −30%) のビーム偏光設定が最悪の状況下での感度に最適であることが判明した。
• 質量および∆Mに依存する限界を用いることで、特に低∆M領域において、粗い∆Mバインディングを用いた従来の研究と比較して、除外および発見の到達範囲が顕著に向上した。
• ILCの予想される限界は、高質量・低∆M領域でLEPおよびLHCを上回り、250 GeVおよび1 TeVの運転シナリオについての外挿予測も提供している。
• 解析により、eτは断面積が小さく、部分的に見えない崩壊製品を有するため、検出が最も困難な超対称粒子であることが確認され、SUSY発見の到達範囲のベンチマークとしての役割を果たす。