[论文解读] Evaluating the ILC SUSY reach in the most challenging scenario: $\widetilde{ au}$ NLSP, low $\Delta M$ , lowest cross-section

Nunez Pardo De Vera, Maria Teresa, M. Berggren+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 2

一句话总结

本文评估了国际线性对撞机（ILC）在最具挑战性的情形下发现或排除右记（eτ）作为次轻量超对称粒子（NLSP）的能力：即轻量右记NLSP、与LSP质量分裂极小且产生截面最小。通过详细的探测器模拟（ILD/DDSime与SGV），证明即使在最坏情况（包括右记混合与重叠轨迹）下，ILC仍可在接近物理极限的几GeV范围内实现排除与发现能力，展现出对长寿命右记信号的稳健灵敏度。

ABSTRACT

Pair-production of the superpartner of the $ au$-lepton, the $ ilde{ au}$, is one of the most interesting channels to search for SUSY in: The $ ilde{ au}$ is likely to be the lightest scalar lepton, and the signature of $ ilde{ au}$ pair production is one of the experimentally most difficult ones, thereby constituting the 'worst' possible scenario for SUSY searches. The current model-independent $ ilde{ 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. The International Linear Collider, the ILC, is a future electron-positron collider, to operate initially at an energy of 250 GeV, then to be upgraded to 500 GeV, and possibly to 1 TeV at a later stage. ILC will be a powerful facility for SUSY searches. The capability of the ILC for determining exclusion/discovery limits for the $ ilde{ au}$ in a model-independent way is shown in this paper. A detailed study of the 'worst' scenario for $ ilde{ au}$ exclusion/discovery, taking into account the effect of the $ ilde{ au}$ mixing on $ ilde{ au}$ production cross-section and detection efficiency, is presented. The study also includes an analysis of the effect of the overlay particles in the $ ilde{ au}$ searches. The conclusion is that both the exclusion and discovery reaches for this 'worst' case would extend to only a few GeV below the kinematic limit at the ILC. Also scenarios with the $ ilde{ au}$ and the Lightest SUSY Particle (the LSP) quite close in mass can be discovered or excluded at most $ ilde{ au}$ masses. The studies were done using detailed detector simulation of the ILD concept at the ILC. For signal, the fast detector simulation SGV was used, while the full Geant4 based DDSim was used for the standard model backgrounds.

研究动机与目标

• 评估ILC在最具挑战性的SUSY情景下对右记（eτ）的发现与排除能力：即eτ NLSP具有极小质量分裂（∆M）与最小产生截面。
• 评估右记混合对ILC环境中eτ对产生截面及探测效率的影响。
• 研究重叠轨迹对eτ搜寻中信号与背景区分的影响。
• 确定ILC是否能在最坏情景下（包括长寿命右记衰变）实现对eτ的模型无关限制。

提出的方法

• 标准模型背景采用基于Geant4的完整探测器模拟（DDSim），而信号事件则使用快速模拟（SGV）。
• 研究基于ILC中心系能量250 GeV与500 GeV下的ILD探测器概念，采用电子束极化P(e−,e+) = (−80%, +30%)与(+80%, −30%)，以确保对所有混合角的均匀灵敏度。
• 蒙特卡罗样本由LCC生成器工作组的模拟生成，覆盖了广泛的右记与LSP质量范围。
• 信号与背景事件通过完整事件级模拟重建，包含能量分辨率、追踪效率及重叠轨迹引起的堆积极效应对探测器的影响。
• 应用了抑制重叠轨迹背景的截断条件，尤其在低∆M区域。
• 分析包括对长寿命右记衰变的研究，未来工作将针对不同探测器区域中的衰变进行完整模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 ILC是否能在最具挑战性的情形下（即质量分裂小、截面最小）实现对右记NLSP的发现或排除？
• RQ2 右记混合如何影响ILC中eτ对产生过程的截面与探测效率？
• RQ3 重叠轨迹在多大程度上降低eτ搜寻中的信背比？是否可通过有效截断加以缓解？
• RQ4 当右记与LSP质量几乎简并时，ILC在eτ质量平面上的探测能力如何？
• RQ5 ILC能否区分长寿命右记衰变与背景事件？对这类信号的灵敏度如何？

主要发现

• 即使在最坏情况（质量分裂小、截面最小）下，ILC仍可在接近物理极限的几GeV范围内实现对右记NLSP的排除与发现能力。
• 引入右记混合并未显著降低ILC的灵敏度，因为束流极化确保了对所有混合角的均匀覆盖。
• 重叠轨迹显著影响信背比，尤其在低∆M区域，但通过有效截断可减轻其影响并保持灵敏度。
• 当右记与LSP质量相差仅几GeV时，仍可在右记质量范围的大部分区域实现发现或排除。
• 本研究证实ILC可实现对右记NLSP的模型无关探测，使其成为该末态最稳健的探测设施。
• 结果基于使用ILD探测器与完整Geant4重建的详细探测器模拟，验证了ILC在SUSY发现潜力方面的稳健性。