[论文解读] Light stop decays into $W b ildeχ_1^0$ near the kinematic threshold

Ramona Gröber, Margarete Mühlleitner+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了在MSSM框架下，轻量级停夸克（t̃₁）在三体衰变t̃₁ → Wbχ̃₁⁰的阈值附近衰变的行为，重点关注味破坏性二体衰变（t̃₁ → cχ̃₁⁰）、三体衰变（t̃₁ → Wbχ̃₁⁰）与四体衰变（t̃₁ → χ̃₁⁰bf̄f′）之间的相互作用。研究结果表明，味破坏性二体衰变在阈值附近可能占主导地位或具有竞争力，因此必须在实验搜索中予以考虑，以避免对停夸克排除极限的误读。

ABSTRACT

We investigate the decays of the light stop in scenarios with the lightest neutralino $ ildeχ_1^0$ being the lightest supersymmetric particle, including flavour-violating (FV) effects. We analyse the region where the three-body decay $ ilde{t}_1 o W b ildeχ_1^0$ is kinematically allowed and provide a proper description of the transition region between the three-body decay and the four-body decay $ ilde{t}_1 o ildeχ_1^0 b f \bar{f}'$. The improved treatment has been implemented in the Fortran package { t SUSY-HIT} and is used for the analysis of this region. A scan over the parameter range including all relevant experimental constraints reveals that the FV two-body decay into charm and $ ildeχ_1^0$ can be as important as the three-, respectively, four-body decays if not dominant and therefore should be taken into account in order to complete the experimental searches for the light stop.

研究动机与目标

• 分析在MSSM中，以最轻中性ino（χ̃₁⁰）作为LSP时，三体衰变t̃₁ → Wbχ̃₁⁰在阈值附近的过渡区域。
• 研究在阈值附近，味破坏性（FV）二体衰变（t̃₁ → cχ̃₁⁰）、三体衰变（t̃₁ → Wbχ̃₁⁰）与四体衰变（t̃₁ → χ̃₁⁰bf̄f′）之间的相互作用。
• 通过更精确地处理相空间和共振中间态，改进对阈值区域中停夸克衰变的理论描述。
• 将改进后的模型集成至SUSY-HIT软件包中，以实现高精度的唯象学分析。
• 评估FV衰变对实验排除界限的影响，表明当FV二体衰变分支比未假设为100%时，现有排除限会被削弱。

提出的方法

• 采用场论振幅计算方法研究t̃₁衰变，包含所有涉及中间W玻色子和带电ino的费曼图。
• 推导出矩阵元M̃_d M̃_χ⁺*、M̃_d M̃_u*、M̃_χ⁺ M̃_u*及其相关项的解析表达式，整合味破坏耦合与质量层次结构。
• 采用无量纲变量（x₁, x₂, x₃, y₁, y₂, y₃, μ）进行运动学参数化，以描述阈值附近的相空间与共振结构。
• 在Fortran软件包SUSY-HIT中实现完整的振幅计算，以跨参数空间计算衰变宽度与分支比。
• 对MSSM参数进行全面扫描，包含所有相关实验约束（LHC、LEP、Tevatron），以评估唯象学可行性。
• 在阈值区域中，仅将四体衰变中W玻色子中间态视为稳定（on-shell），如论文所述。

实验结果

研究问题

• RQ1 在阈值附近，味破坏性二体衰变（t̃₁ → cχ̃₁⁰）与三体衰变（t̃₁ → Wbχ̃₁⁰）及四体衰变（t̃₁ → χ̃₁⁰bf̄f′）的竞争关系如何？
• RQ2 非平凡的分支比——尤其是FV二体衰变非100%时——对LHC中轻量级停夸克排除界限有何影响？
• RQ3 共振W玻色子交换与非稳定态效应在阈值区域如何影响衰变宽度？
• RQ4 FV衰变在多大程度上主导或显著改变压缩SUSY场景中轻量级停夸克的唯象学行为？
• RQ5 SUSY-HIT中改进的理论处理能否准确描述三体与四体衰变区域之间的过渡？

主要发现

• 味破坏性二体衰变（t̃₁ → cχ̃₁⁰）在阈值区域可能与三体或四体衰变具有同等甚至更重要的贡献。
• 即使三体衰变在相空间上允许，FV二体衰变至粲夸克的分支比也可能相当可观，这挑战了实验分析中假设分支比为100%的常规做法。
• SUSY-HIT中改进的处理方法表明，当引入FV衰变时，基于主导三体或四体衰变假设的现有LHC排除界限可能被显著削弱。
• 除非W玻色子中间态为稳定态，否则四体衰变通道在阈值附近受到抑制，而这种情况仅在特定参数区域内可能实现。
• 三体与四体衰变之间的过渡区域对味破坏耦合与质量分裂极为敏感，需要精确的理论建模。
• 在包含所有实验约束的参数空间扫描中表明，必须在完整实验搜索中包含FV衰变，以避免对停夸克信号抑制的误读。