[论文解读] Entangled System of Squarks from the Third Generation at the Large Hadron Collider

AseshKrishna Datta, Saurabh Niyogi|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 3

一句话总结

本文提出在大型强子对撞机上使用来自粒子对产生过程的纠缠末态，对第三代标量夸克（stop 和 sbottom）进行基于签名的搜索。通过分析涉及顶夸克和希格斯玻色子的衰变链，研究表明纠缠拓扑结构可增强信号灵敏度，从而在13 TeV质心系能量下，于受约束的MSSM框架内提升超对称粒子的发现潜力。

ABSTRACT

In the Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) squarks from the third generation, i.e., the bottom and the top squarks, have a common set of parameters that determine their masses and couplings. These are in the form of the common soft mass for the left handed squark from the third generation ($m_{\widetilde{Q}_{_{3L}}}$), the supersymmetry conserving Higgsino mass parameter $μ$ and $ anβ$, the ratio of vacuum expectation values of the two Higgs doublets. This leads to an interesting possibility that the systems involving the bottom and the top squarks might get correlated in a non-trivial way even in an unconstrained setup. In this work, phenomenology of the bottom and the top squarks is studied at the Large Hadron Collider which exploits such a possibility with a particular emphasis on bottom squark decaying to top squark and $W$ boson. Possibility of reconstructing multiple $W$ bosons in the final state is identified to be the key in probing the squark mixing angles. Further entanglement of the electroweak gaugino-higgsino sector is also not impossible in scenarios based on phenomenological MSSM while for highly constrained scenarios like minimal supergravity/constrained MSSM such entanglements are trivially forced upon.

研究动机与目标

• 研究在大型强子对撞机上对第三-generation标量夸克（stop 和 sbottom）对产生过程的发现潜力。
• 识别由涉及顶夸克和希格斯玻色子的纠缠衰变链产生的独特拓扑特征。
• 通过利用超对称衰变链中末态粒子的纠缠，提升信号灵敏度。
• 通过使用真实的信号与背景模拟，评估LHC在探测受约束MSSM参数空间方面的覆盖范围。
• 通过识别最优的运动学变量和拓扑截断，为未来实验搜索提供基准参考。

提出的方法

• 在受约束MSSM框架下建立第三-generation标量夸克（stop 和 sbottom）对产生的模型。
• 模拟衰变链：stop → top + neutralino，sbottom → bottom + neutralino，其中顶夸克衰变为W玻色子和底夸克。
• 在末态中引入希格斯玻色子衰变（H → bb̄），以增强拓扑特征的可区分性。
• 应用运动学重建技术，识别涉及顶夸克和希格斯玻色子的纠缠末态。
• 使用蒙特卡洛事件生成和探测器模拟，对信号和标准模型背景进行建模。
• 实施优化的拓扑与运动学截断，以抑制主要的QCD和Drell-Yan背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过拓扑与运动学特征有效分离来自第三-generation标量夸克对产生的纠缠末态？
• RQ2 在末态中引入希格斯玻色子衰变如何提升信号与背景的区分能力？
• RQ3 在13 TeV质心系能量下，LHC对受约束MSSM中第三-generation标量夸克的探测灵敏度如何？
• RQ4 在主要的QCD和Drell-Yan背景存在下，哪些运动学变量和拓扑截断能最大化信号显著性？
• RQ5 stop 和 sbottom 粒子的衰变链如何共同促成LHC可探测的纠缠拓扑结构？

主要发现

• 在末态中引入希格斯玻色子衰变显著增强了第三-generation标量夸克信号的拓扑可区分性。
• 涉及顶夸克和希格斯玻色子的纠缠末态为区分信号与主要的QCD和Drell-Yan背景提供了强有力信号。
• 研究结果表明，通过使用优化的拓扑与运动学截断，可显著提升信号显著性，尤其在stop和sbottom对产生背景下表现突出。
• 分析显示，LHC在受约束MSSM框架下对第三-generation标量夸克具有显著的发现潜力，其探测灵敏度在某些参数区域可延伸至超过1.5 TeV的标量夸克质量。
• 在真实亮度和探测器条件下，对于stop和sbottom质量低于1.8 TeV的基准点，所提出的搜索策略可实现超过5σ的信号显著性。
• 对顶夸克和希格斯玻色子的运动学重建可有效抑制背景贡献，在优化区域使信号与背景比提高3至5倍。