[论文解读] Exotic Stop Decay at the LHC

Jonathan Eckel, Shufang Su+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文研究了在具有类Bino的LSP和轻量Wino或Higgsino NLSP的超对称模型中，顶 squark 的奇特衰变模式，识别出如 $\tilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ 和 $\tilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$ 的混合衰变通道，导致 $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 的末态。在14 TeV的LHC上，积分亮度为300 fb$^{-1}$时，该研究显示在95%置信水平下可排除高达1040 GeV的顶 squark，或在5$\sigma$显著性下实现高达940 GeV的发现能力。

ABSTRACT

Current searches for the top squark mostly focus on the decay channels of $ ilde{t}_1 ightarrow t \chi_1^0$ or $ ilde{t}_1 ightarrow b \chi_1^\pm ightarrow bW \chi_1^0$, leading to $tt/bbWW+ ot\mathrel{E}_T$ final states for top squark pair production at the LHC. In supersymmetric scenarios with light gauginos other than the neutralino lightest supersymmetric particle (LSP), different decay modes of the top squark could be dominant, which significantly weaken the current top squark search limits at the LHC. Additionally, new decay modes offer alternative discovery channels for top squark searches. In this paper, we study the top squark and bottom squark decay in the Bino-like LSP case with light Wino or Higgsino next-to-LSPs (NLSPs), and identify cases in which additional decay modes become dominant. We also perform a collider analysis for top squark pair production with mixed top squark decay final states of $ ilde{t}_1 o t {\chi}_2^0 o th {\chi}_1^0$, $ ilde{t}_1 o b {\chi}_1^\pm o bW {\chi}_1^0 $, leading to the $bbbbjj\ell+ ot\mathrel{E}_T$ collider signature. The branching fraction for such decay varies between 25\% and 50\% for a top squark mass larger than 500 GeV with $M_2=M_1+150$ GeV. At the 14 TeV LHC with 300 ${ m fb}^{-1}$ integrated luminosity, the top squark can be excluded up to about 1040 GeV at the 95\% C.L., or be discovered up to 940 GeV at 5$\sigma$ significance.

研究动机与目标

• 识别在具有轻量Wino或Higgsino次近LSP的超对称模型中，顶夸克和底夸克 squark 的新主导衰变模式。
• 评估这些奇特衰变模式对现有LHC顶 squark 搜索限制造成的削弱影响。
• 探索超越标准 $tt/bbWW+\cancel{E}_T$ 末态的顶 squark 新发现通道。
• 评估在14 TeV LHC上，具有混合衰变末态的顶 squark 对产生过程的发现潜力。

提出的方法

• 分析具有类Bino LSP和轻量Wino或Higgsino NLSP的超对称模型，以确定顶 squark 衰变分支比。
• 评估涉及 $\tilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ 和 $\tilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$ 的衰变链作为特定质量区域内的主导模式。
• 对包含 $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 末态的顶 squark 对产生过程进行对撞机分析。
• 使用蒙特卡洛模拟来建模信号事件，并估算 $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 末态的背景贡献。
• 应用标准的LHC搜索分析技术，包括运动学截断和信号区域优化。
• 计算在1040 GeV以内顶 squark 质量的95%置信水平排除限和5$\sigma$显著性下的发现能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类Bino LSP情景下，当次近LSP为轻量Wino或Higgsino时，顶 squark 的主导衰变模式是什么？
• RQ2 这些奇特衰变模式如何影响当前LHC顶 squark 搜索的灵敏度？
• RQ3 在14 TeV LHC上，$bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 末态下顶 squark 的发现潜力如何？
• RQ4 在300 fb$^{-1}$亮度下，95%置信水平或5$\sigma$显著性下，可排除或发现的最大顶 squark 质量是多少？
• RQ5 混合衰变模式的分支比如何随顶 squark 质量和 $M_2 = M_1 + 150$ GeV变化？

主要发现

• 对于顶 squark 质量高于500 GeV的情况，混合衰变模式 $\tilde{t}_1 \to t\chi_2^0 \to th\chi_1^0$ 和 $\tilde{t}_1 \to b\chi_1^\pm \to bW\chi_1^0$ 的分支比在25%至50%之间。
• $bbbbjj\ell + \cancel{E}_T$ 末态在奇特衰变情景下为顶 squark 提供了可行的发现通道。
• 在14 TeV LHC上，积分亮度为300 fb$^{-1}$时，可在95%置信水平下将顶 squark 的排除质量上限提升至1040 GeV。
• 相同分析在5$\sigma$显著性下可实现高达940 GeV的发现能力。
• 这些结果表明，当奇特衰变模式占主导时，当前LHC搜索的灵敏度显著下降，因此需要新的搜索策略。
• 本研究强调了在未来顶 squark 搜索中考虑混合衰变通道的重要性，尤其是在具有轻量NLSP的模型中。