[论文解读] Electroweakino Searches: A Comparative Study for LHC and ILC (A Snowmass White Paper)

M. Berggren, Tao Han+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本雪崩白皮书对大型强子对撞机（LHC）与国际线性对撞机（ILC）中的电弱ino搜索进行了对比研究，聚焦于最小超对称标准模型（MSSM）。研究评估了双费米子产生及其衰变至 $Wh$（其中 $h\to b\bar{b}$）的过程，涵盖Bino、Wino与Higgsino型轻希格斯玻色子（LSP）情形，发现当LHC在14 TeV下运行300 fb$^{-1}$时，可排除 $M_2,\mu \sim 480-700$ GeV（5$\sigma$发现范围为320-500 GeV）；而一旦越过动力学阈值，ILC在质量与耦合测量方面展现出更优的精度。

ABSTRACT

We make a systematic and comparative study for the LHC and ILC for the electroweakino searches in the Minimal Supersymmetric Standard Model. We adopt a general bottom-up approach and scan over the parameter regions for all the three cases of the lightest supersymmetric particle being Bino-, Wino-, and Higgsino-like. The electroweakino signal from pair production and subsequent decay to Wh (h to b\bar b) final state may yield a sensitivity of 95% C.L. exclusion (5sigma discovery) to the mass scale M_2, mu ~ 250-400 GeV (200-250 GeV) at the 14 TeV LHC with an luminosity of 300 fb^{-1}. Combining with all the other decay channels, the 95% C.L. exclusion (5sigma discovery) may be extended to M_2, mu ~ 480-700 GeV (320-500 GeV). At the ILC, the electroweakinos could be readily discovered once the kinematical threshold is crossed, and their properties could be thoroughly studied.

研究动机与目标

• 在MSSM框架下，采用模型无关方法，评估LHC与ILC中电弱ino搜索的灵敏度。
• 评估当色荷超对称伙伴较重、且产生过程主要由电弱过程主导时，Chargino与Neutralino的发现潜力。
• 对比LHC与ILC在三种LSP类型（Bino、Wino与Higgsino型）下的探测能力，重点关注压缩谱情形。
• 研究多种衰变道（尤其是 $Wh$ 且 $h\to b\bar{b}$）的互补性，以增强LHC的发现潜力。
• 展示ILC在压缩情形下对电弱ino质量与耦合实现高精度测量的能力，即使在质量差极小的情况下亦可实现。

提出的方法

• 在MSSM参数空间 $M_1, M_2, \mu$ 上进行自下而上的扫描，覆盖 $100 < M_1, M_2, |\mu| < 1000$ GeV 与 $3 < \tan\beta < 50$。
• 分析Chargino与Neutralino的双费米子产生及其衰变链，重点关注包含 $Wh$（$h\to b\bar{b}$）、二轻子、三轻子及单轻子末态的最终态。
• 利用快速模拟估算ILC在 $\sqrt{s} = 500$ GeV 与 500 fb$^{-1}$ 亮度下的信号显著性，评估 $S/\sqrt{B} > 3\sigma$ 的发现能力。
• 采用统计标准进行95%置信水平（C.L.）排除与5$\sigma$发现判断，基于LHC与ILC条件下的信号与背景建模。
• 考虑初态辐射（ISR）以提升压缩ILC情形下质量分裂极小的场景中的探测灵敏度。
• 评估ILC中质量与耦合测量的精度，假设质量与截面的分辨率可达 $O(1\%)$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在14 TeV的LHC下运行300 fb$^{-1}$时，电弱ino对产生及其衰变至 $Wh$（$h\to b\bar{b}$）的探测能力如何？
• RQ2 结合多种衰变道（$Wh$、二轻子、三轻子等）如何提升LHC对电弱ino的排除与发现能力？
• RQ3 在 $\sqrt{s} = 500$ GeV 下，ILC对电弱ino的发现潜力如何，特别是在质量分裂极小的压缩谱情形下？
• RQ4 ILC在多大程度上可实现 $O(1\%)$ 精度的质量与耦合测量？其与LHC能力相比如何？
• RQ5 Bino、Wino与Higgsino型LSP在产生与衰变中的现象学信号有何差异？哪些末态对各类LSP最敏感？

主要发现

• 在14 TeV的LHC下运行300 fb$^{-1}$时，$Wh$（$h\to b\bar{b}$）末态可实现95% C.L. 排除电弱ino质量高达 $M_2, \mu \sim 250-400$ GeV，5$\sigma$ 发现能力可达 $200-250$ GeV。
• 结合所有衰变道后，LHC的95% C.L. 排除能力扩展至 $M_2, \mu \sim 480-700$ GeV，5$\sigma$ 发现能力达 $320-500$ GeV。
• ILC在 $\sqrt{s} = 500$ GeV 与 500 fb$^{-1}$ 下，$S/\sqrt{B} > 3\sigma$ 的灵敏度可覆盖约一半中心系能量的NLSP质量，对Wino或Higgsino型NLSP可达 $\sim 500$ GeV。
• 对于Higgsino型LSP，ILC在 $\Delta M = M_{\chi_1^\pm} - M_{\chi_1^0}$ 与 $M_{\chi_1^\pm}$ 平面中即使在质量差为数百MeV至数GeV的压缩区域，也能实现高统计显著性。
• ILC可实现 $O(1\%)$ 精度的质量与耦合测量，从而在多TeV区域对 $M_1$ 与 $M_2$ 实现有效约束。
• ILC可清晰分离Chargino与Neutralino信号，实现电弱ino谱与性质的完整重建，而LHC因背景与组合学限制，分辨率受限。