[论文解读] Measuring the Stau Minus Neutralino Mass Difference in Co-annihilation Scenarios at the LHC

R. Arnowitt, A. Aurisano+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文提出在LHC上通过τ轻子末态测量超对称共湮灭场景中的标量中微子-中性ino质量差（dM）和胶球子质量（Mg）。通过分析具有不同τ能量阈值的包含3个τ、一个喷注和缺失能量的末态，证明在30 fb⁻¹数据下，dM可测量至15%的精度，Mg可测量至6%的精度，利用两个可观测量：反号与同号τ对计数之差，以及ττ不变质量峰。

ABSTRACT

We study the prospects for the measurement of the stau - lightest neutralino mass difference (dM) and the gluino mass (Mg) in the supersymmetric co-annihilation region at the LHC using tau leptons. Recent WMAP measurements of the amount of cold dark matter and previous accelerator experiments indicate that the allowed parameter space of mSUGRA is characterized by a small dM (5-15 GeV). Focusing on taus from N2 -> tau stau -> tau tau N1 decays in gluino and squark production, we consider inclusive 3 tau+jet+missing Et production, with two taus above a high Et threshold and a third tau above a lower threshold. Two observables, the number of opposite-signed tau pairs minus the number of like-signed tau pairs and the peak of the ditau invariant mass distribution, allow for the simultaneous determination of dM, and Mg. For dM = 9 GeV and Mg = 850 GeV and with 30 fb^-1 of data, we can measure dM to 15% and Mg to 6%.

研究动机与目标

• 利用LHC数据在mSUGRA共湮灭区域确定标量中微子-最轻中性ino质量差（dM）与胶球子质量（Mg）。
• 解决测量小dM值（5–15 GeV）的挑战，该值与WMAP冷暗物质约束一致。
• 开发一种方法，通过胶球子与 squark 对产生所生成的τ轻子末态，同时提取dM与Mg。
• 利用具有不同能量阈值的包含3个τ、一个喷注和缺失能量的末态，以增强对dM与Mg的敏感度。
• 验证利用从τ对统计与不变质量分布中导出的可观测量，以高精度测量dM与Mg的可行性。

提出的方法

• 分析在共湮灭区域中胶球子与squark对产生所生成的包含3个τ、一个喷注和缺失能量的末态。
• 对两个τ施加高横动量能量阈值，对第三个τ施加较低阈值，以优化信号选择。
• 利用反号与同号τ对计数之差作为对dM敏感的关键可观测量。
• 通过测量ττ不变质量分布的峰值，作为第二个独立可观测量，用于提取dM与Mg。
• 使用蒙特卡洛模拟对衰变链N2 → τ stau → τ τ N1进行建模，并重建末态。
• 对两个可观测量（τ对统计与ττ质量峰）进行联合拟合，以提取dM与Mg及其不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在LHC的共湮灭区域中，通过τ轻子末态以高精度测量标量中微子-中性ino质量差（dM）？
• RQ2 在使用相同末态的情况下，胶球子质量（Mg）能与dM同时多大程度上被确定？
• RQ3 反号与同号τ对的数量以及ττ不变质量峰作为独立可观测量，在提取dM与Mg方面有多高效？
• RQ4 对于基准点dM = 9 GeV与Mg = 850 GeV，在30 fb⁻¹数据下，dM与Mg的预期精度是多少？
• RQ5 该方法能否区分与WMAP暗物质约束一致的小dM值（5–15 GeV）？

主要发现

• 在30 fb⁻¹数据下，标量中微子-中性ino质量差（dM）对基准值dM = 9 GeV的测量精度可达15%。
• 胶球子质量（Mg）对基准值Mg = 850 GeV的测量精度可达6%。
• 反号与同号τ对计数之差以及ττ不变质量峰的结合，提供了足够的灵敏度，可同时提取dM与Mg。
• 该方法在dM较小（5–15 GeV）的共湮灭区域中有效，该区域与WMAP冷暗物质测量结果一致。
• 对三个τ施加不同的能量阈值可提高信背比，并改善质量测量分辨率。
• 结果证明，利用LHC上的τ末态以高精度探测共湮灭区域是可行的。