[论文解读] A Comparison of Future Proton Colliders Using SUSY Simplified Models: A Snowmass Whitepaper

Timothy Cohen, T. Golling+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用 5

一句话总结

本Snowmass白皮书通过简化超对称（SUSY）模型，评估了未来质子对撞机——14 TeV LHC、33 TeV HE-LHC 和 100 TeV VLHC——在发现与排除方面的物理探测能力，重点关注胶微子-中性ino、标夸克-中性ino 及胶微子-标夸克末态。研究发现，更高的能量与亮度显著提升探测灵敏度，尤其在系统误差减小的情况下；在现实条件下，100 TeV 对撞机可探测高达13.5 TeV 的胶微子质量。

ABSTRACT

We present a summary of results for SUSY Simplified Model searches at future proton colliders: the 14 TeV LHC as well as a 33 TeV proton collider and a 100 TeV proton collider. Upper limits and discovery significances are provided for the gluino-neutralino (for both light and heavy flavor decays), squark-neutralino, and gluino-squark Simplified Model planes. Events are processed with the Snowmass combined detector and Standard Model backgrounds are computed using the Snowmass samples. We place emphasis on comparisons between different collider scenarios, along with the lessons learned regarding the impact of systematic errors and pileup. More details are provided in a companion paper.

研究动机与目标

• 评估未来质子对撞机（14 TeV LHC、33 TeV HE-LHC、100 TeV VLHC）在发现或排除超对称简化模型方面的物理探测能力。
• 评估中心系能量、积分亮度及系统误差增加对探测潜力的影响。
• 使用一致的探测器与本底模拟（Snowmass框架）比较不同对撞机方案的性能。
• 研究在100 TeV对撞机中，堆积效应与轻子隔离性能退化对探测性能的影响，特别是对基于轻子的搜索。
• 基于完整本底模拟与优化的搜索策略，为100 TeV质子对撞机的物理基础提供定量基准。

提出的方法

• 使用Snowmass联合探测器与本底模拟框架，对所有对撞机方案中的信号与标准模型本底进行建模。
• 采用四种不同的分析策略：喷注 + 丢失横向动量（E_T^miss）、同号双轻子、单轻子及压缩谱搜索。
• 针对每种对撞机能量与亮度（300 fb⁻¹ 与 3000 fb⁻¹），采用以信号驱动、基于简化模型的方法优化信号区域截断条件。
• 在事件与重建层面整合真实的堆积效应，特别评估其对100 TeV下轻子隔离的影响。
• 通过对比20%与5%系统误差下的结果，量化系统误差的影响，表明在误差减小的情况下探测能力显著提升。
• 通过与现有14 TeV ATLAS研究结果对比，验证模拟与分析链的一致性与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从14 TeV提升至100 TeV的中心系能量，对简化SUSY模型中胶微子与标夸克对产生探测能力有何影响？
• RQ2 将积分亮度从300 fb⁻¹提升至3000 fb⁻¹，对压缩与非压缩SUSY谱的排除与发现极限有何影响？
• RQ3 系统误差（如20% vs. 5%）如何影响投影的排除极限，特别是在中性ino质量为零的胶微子-中性ino模型中？
• RQ4 在高能对撞机（尤其是100 TeV）中，堆积效应（特别是更硬的堆积贡献）对基于轻子的搜索性能退化程度如何？
• RQ5 100 TeV对撞机是否能探测超过14 TeV LHC的运动学极限的胶微子质量？在现实条件下，其最大可达质量是多少？

主要发现

• 在中性ino质量为零的胶微子-中性ino模型中，将系统误差从20%降低至5%，可使胶微子排除极限提高300 GeV。
• 在3000 fb⁻¹积分亮度下，14 TeV LHC可发现质量为2.3 TeV的胶微子（相较300 fb⁻¹时的1.9 TeV），表明尽管本底有限，探测能力仍显著提升。
• 100 TeV对撞机可探测高达13.5 TeV的胶微子质量，对应3000 fb⁻¹数据集中仅约60个SUSY事例，表明探测能力已接近极限。
• 在14 TeV与33 TeV对撞机中，强子末态搜索（喷注 + E_T^miss）对堆积效应具有鲁棒性，性能无显著退化。
• 在100 TeV对撞机中，基于轻子的搜索因堆积变硬导致轻子隔离效率下降，探测能力约降低10%。
• 14 TeV对撞机在3000 fb⁻¹下的搜索受系统误差限制；若不重新优化截断条件，仅增加亮度无法提升探测能力，而重新优化可使约2.5 TeV附近胶微子质量的探测灵敏度提升约25%。