[论文解读] An equal-velocity scenario for hiding dark matter at the LHC

Kaoru Hagiwara, Toshifumi Yamada|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在LHC的'等速情景'下搜索超对称顶夸克（stop quarks）的新策略，此时顶夸克质量附近的停夸克与中性ino质量几乎简并，导致缺失横向动量被抑制。通过利用缺失横向动量与顶夸克对横向动量矢量之间的对齐性及固定比值，该方法使信号显著性相比标准技术提升2倍，在300 fb⁻¹亮度下对223 GeV的停夸克实现了8.4的显著性。

ABSTRACT

We consider a light supersymmetric top quark (stop) scenario, where a stop and a neutralino are the lightest supersymmetric particles and the stop mass is close to the sum of the neutralino mass and the top quark mass. In this scenario, the top quark and the neutralino coming from the decay of a stop have almost equal velocity vectors, and hence the missing transverse momentum in stop pair production events at colliders is suppressed, which makes the stop search challenging, as in the degenerate scenario where the stop mass and the neutralino mass are nearby. In this paper, we propose a novel analysis technique aiming at discovering the stop pair production signal in such an `equal-velocity' scenario. The key is to look for events where the missing transverse momentum vector is proportional to the transverse momentum vector of the top quark pair with specific values for the proportionality coefficient, as this coefficient equals to the ratio of the neutralino mass over the top quark mass in the equal-velocity limit. We examine the possibility that the stop signal can be identified at the 14 TeV LHC by our analysis method.

研究动机与目标

• 解决在停夸克衰变产物（顶夸克与中性ino）具有几乎相等速度时，由于缺失横向动量被抑制，导致信号隐藏于标准模型背景中的挑战。
• 开发一种新分析技术，利用等速极限下缺失横向动量矢量与顶夸克对横向动量矢量之间的运动学关联。
• 在14 TeV LHC的停夸克对产生搜索中，提升信号与背景的区分能力，特别是在标准缺失-E_T搜索失效的质量区域。
• 实现在200–323 GeV质量范围内的停夸克发现，其中中性ino质量高于50 GeV，传统方法在此区域灵敏度下降。

提出的方法

• 该方法识别缺失横向动量矢量与顶夸克对横向动量矢量之间方位角差Δϕ较小（Δϕ < 0.5）的事件，表明两者对齐。
• 对缺失横向动量与顶夸克对横向动量的比值施加截断，要求p_T / p_tt_T > 0.2，该值与等速极限下m_χ̃⁰₁ / m_t的预期比值一致。
• 利用(Δϕ, p_T / p_tt_T)的散点图识别信号丰富的区域，其中信号事件聚集在(0, m_χ̃⁰₁ / m_t)附近，而标准模型背景则呈分散分布。
• 基于散点图结构施加选择性截断：Δϕ < 0.5 且 p_T / p_tt_T > 0.2，有效增强信号区域并抑制背景。
• 通过全探测器模拟评估信号显著性，采用S / √(S + B)公式，将标准计数法与新的角度-动量关联方法进行比较。
• 在等速假设下，该方法可独立估计中性ino与停夸克的质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在停夸克与中性ino质量几乎简并、导致缺失横向动量被抑制的等速情景下，是否仍能探测到停夸克信号？
• RQ2 缺失横向动量矢量与顶夸克对横向动量矢量对齐是否可作为区分信号与标准模型背景的稳健信号？
• RQ3 当中性ino质量超过50 GeV时，缺失横向动量与顶夸克对横向动量的比值能否作为有效的运动学判据？
• RQ4 与基于标准缺失-E_T的搜索相比，引入角度与动量关联信息后，信号显著性提升多少？

主要发现

• 对于223 GeV的停夸克质量与48 GeV的中性ino质量，新方法在300 fb⁻¹数据下实现8.4的信号显著性，而标准计数法仅为4.1。
• 对于更重的停夸克（323 GeV）与中性ino（148 GeV），新方法将显著性从0.54提升至1.6，表明在足够亮度下具备可探测性。
• 在等速情景下，信号事件在(Δϕ, p_T / p_tt_T)平面上形成一个以Δϕ ≈ 0与p_T / p_tt_T ≈ m_χ̃⁰₁ / m_t为中心的明显聚集区，而标准模型背景则均匀分布。
• 选择性截断Δϕ < 0.5与p_T / p_tt_T > 0.2能有效增强信号区域并减少背景，尤其在中性ino质量高于50 GeV时效果显著。
• 在等速假设下，通过观测到的比值p_T / p_tt_T，该方法可实现对停夸克与中性ino质量的联合估计。
• 散点图分析通过利用几何与运动学关联，优于标准计数法，在信号区分方面展现出明显优势。