[论文解读] L-Violating Supersymmetry - Implementation in PYTHIA and study of LHC discovery potential

Peter Skands|ArXiv.org|Aug 24, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文在 PYTHIA 事件生成器中实现了 L- violating 超对称性，重点研究了中性子和带电sparticle通过 R-奇偶性破坏耦合衰变为轻子的过程。评估了各种模型在 LHC 上的发现潜力，发现 F₂ MSSM 模型的显著性最高可达 6.5σ，而由于干涉效应和运动学约束，LQD 耦合情形下的灵敏度有所降低。

ABSTRACT

In the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the simultaneous appearance of lepton and baryon number violation causes the proton to decay much faster than the experimental bound allows. Customarily, a discrete symmetry known as R-parity is imposed to forbid these dangerous interactions. This work begins by arguing that there is no deep theoretical motivation for preferring R-parity over other discrete symmetries and continues by adopting the MSSM with baryon number conservation replacing R-parity conservation. For the purpose of studying the influence of the consequent lepton number violating interactions, 1278 new decay channels of supersymmetric particles into Standard Model particles have been included in the PYTHIA event generator. The augmented event generator is then used in combination with the atlfast detector simulation to study the impact of lepton number violation on event topologies in the ATLAS detector, and trigger menus designed for LV-SUSY are proposed based on very general conclusions. The subsequent analysis uses a combination of primitive cuts and neural networks to optimize the discriminating power between signal and background events. In all scenarios studied, it is found that a $5σ$ discovery is possible for cross sections down to $10^{-10}$ mb with an integrated luminosity of 30 fb$^{-1}$.

研究动机与目标

• 在 PYTHIA 蒙特卡洛事件生成器中实现 L- violating 超对称性过程，以实现对 LHC 的真实模拟。
• 研究 LHC 对涉及中性子和带电sparticle 衰变为轻子的 R-奇偶性破坏超对称模型的发现潜力。
• 评估 L- violating 耦合（LLE 和 LQD）对信号可观测性及背景区分的影响。
• 评估相空间积分技术与矩阵元计算在优化信号探测中的作用。

提出的方法

• 采用 Dalitz 变量对三体衰变进行相空间积分技术的改进，对 m²_ab 和 m²_bc 进行数值积分。
• 实现中性子和带电sparticle 衰变为三个轻子的衰变矩阵元，包括共振项与干涉项。
• 在拉格朗日量中引入 L- violating 耦合（λ′ 和 λ），完整处理 sfermion 混合与非壳效应。
• 使用 PYTHIA 模拟信号事件，包括运动学限制与相空间中共振态的放置。
• 应用标准 LHC 分析截断条件以估算显著性，比较不同模型下信号与背景的比值。
• 使用统计显著性（σ）作为指标，评估不同超对称模型与耦合类型下的发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过中性子和带电sparticle 衰变为三个轻子，LHC 对 L- violating 超对称性的发现潜力如何？
• RQ2 L- violating 耦合（LLE 和 LQD）如何影响不同超对称模型中信号强度与可探测性？
• RQ3 与仅含共振项的贡献相比，干涉项与相空间拓扑结构在多大程度上降低了信号显著性？
• RQ4 sfermion 混合与非壳选择粒子效应的引入，如何影响衰变矩阵元与事件率？
• RQ5 PYTHIA 框架能否准确模拟并预测 LHC 上 R-奇偶性破坏超对称性的发现范围？

主要发现

• F₂ MSSM 模型的发现潜力最高可达 6.5σ，表明对 L- violating 信号具有强敏感性。
• 对于具有非零 LQD 耦合的模型，由于破坏性干涉与运动学抑制，发现潜力降低，显著性最低降至 4.2σ。
• LLE 耦合情形下，信号显著性更高（校正后显著性最高达 25.5/17.1），表明可观测性更优。
• 与纯共振项相比，干涉项的矩阵元贡献在数值上较小，验证了使用领先阶近似方法的合理性。
• 在 λ′ 耦合较弱的模型中，信号显著性显著降低，这是由于 LSP 寿命较长，可能导致位移顶点或 MSSM 类似事例。
• 在 PYTHIA 中的实现成功处理了复杂的相空间拓扑结构与矩阵元结构，实现了对 L- violating 超对称衰变的可靠模拟。