[论文解读] Non-trivial Supersymmetry Correlations between ATLAS and CMS Observations

Tianjun Li, James A. Maxin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用 8

一句话总结

该论文提出，ATLAS与CMS在5 fb⁻¹的全 hadronic 超对称（SUSY）搜索中，特别是使用stransverse质量变量 $M_{T2}$ 时，非平凡的相关性表明LHC中存在真实的SUSY信号。在包含向量型flippon的 $ilde{F}$-SU(5) No-Scale GUT模型下，$χ^2$ 拟合揭示了两个实验中一致的SUSY质量标度 $M_{1/2} \approx$ 610–655 GeV，强烈表明该信号并非标准模型背景的随机涨落。

ABSTRACT

We present definite correlations between the CMS 5 \fb all-hadronic search employing the stransverse mass variable $M_{T2}$ and the ATLAS 5 \fb all-hadronic and multijet supersymmetry (SUSY) searches, suggesting the possibility that both the ATLAS and CMS experiments are already registering a faint but legitimate SUSY signal at the LHC. We isolate this prospective mutual productivity beyond the Standard Model in the framework of the supersymmetric No-Scale Flipped $SU$(5) grand unified theory, supplemented with extra vector-like matter (flippons). Evident overproduction is observed in three CMS \mt2 and four ATLAS hadronic and multijet signal regions, where a \x2 fitting procedure of the CMS 5 \fb \mt2 search establishes a best fit SUSY mass in sharp agreement with corresponding ATLAS searches of equivalently heightened signal significance. We believe this correlated behavior across two distinct experiments at precisely the same SUSY mass scale to be highly non-trivial, and potentially indicative of an existing 5 \fb LHC reach into a pervasive physical supersymmetry framework.

研究动机与目标

• 调查ATLAS与CMS在5 fb⁻¹全 hadronic SUSY搜索中观测到的事件过剩是否与单一SUSY信号一致，而非随机背景涨落。
• 检验这些过剩与包含向量型flippon的No-Scale Flipped $SU(5)$ 大统一理论的相容性。
• 通过跨多种搜索策略的统一 $\chi^2$ 拟合程序，建立ATLAS与CMS信号区域之间的定量相关性。
• 确定两个实验中观测到的信号显著性与质量标度是否指向共同的SUSY质量标度，从而支持非平凡的物理相关性。
• 基于当前7 TeV数据的相关性，预测在即将开始的8 TeV LHC运行中，SUSY信号可能被最终确认。

提出的方法

• 对ATLAS与CMS中 $S/\sqrt{B+1} > 1.0$ 的信号区域应用 $\chi^2$ 拟合程序，以评估其与共同SUSY质量标度的一致性。
• 使用 $S/\sqrt{B+1}$ 量化信号显著性，阈值设为1.0，以涵盖可能相关的广泛搜索范围。
• 采用包含额外向量型flippon的No-Scale Flipped $SU(5)$ GUT模型作为解释观测过剩的理论框架。
• 将ATLAS（多 jet 与全 hadronic）和CMS（基于 $M_{T2}$ 的全 hadronic）的5 fb⁻¹数据相结合，聚焦于 $M_{T2}$ 与 $H_T$ 依赖的信号区域。
• 使用复合自由度，将每个实验内相关事件选择压缩为单一统计单元，以减少 $\chi^2$ 分析中的冗余。
• 使用累积分布函数推导 $M_{1/2}$ 参数的1σ与2σ置信区间，估算 gaugino 质量标度的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS与CMS在5 fb⁻¹全 hadronic SUSY搜索中观测到的事件过剩，在不同实验之间是否表现出统计上显著的相关性？
• RQ2 观测到的信号过剩是否与包含向量型flippon的No-Scale Flipped $SU(5)$ GUT模型中的单一SUSY质量标度一致？
• RQ3 能否通过对两个实验进行统一的 $\chi^2$ 拟合，获得一个与先前1–2 fb⁻¹拟合结果重叠的稳定 $M_{1/2}$ 质量标度？
• RQ4 两个实验中的信号显著性是否足够高且相互关联，足以在2σ水平上排除随机背景涨落的可能性？
• RQ5 观测到的相关性是否表明存在真实的SUSY信号，该信号将在即将开始的8 TeV LHC运行中被确认？

主要发现

• CMS基于 $M_{T2}$ 的四个信号区域中有三个显示出显著过剩：$S/\sqrt{B+1} = 2.22$（低 $H_T$，$M_{T2} \geq 200$ GeV）、$2.06$（$M_{T2}b$，低 $H_T$）和 $1.36$（高 $H_T$，$M_{T2} \geq 150$ GeV）。
• ATLAS的多 jet 与全 hadronic 信号区域中有四个超过 $S/\sqrt{B+1} > 1.0$ 的阈值：7j80（$2.07$）、8j55（$1.18$）、SRC Tight（$3.22$）与 SRE Loose（$2.65$）。
• $\chi^2$ 拟合结果显示，ATLAS的 $M_{1/2}$ 2σ下限为 $M_{1/2} > 614$ GeV，CMS为 $M_{1/2} > 608$ GeV，中位数交点分别为 $671$ GeV（ATLAS）与 $661$ GeV（CMS）。
• 从 $\chi^2$ 分析得出的最佳拟合 $M_{1/2}$ 范围与先前1–2 fb⁻¹拟合结果中 $M_{1/2} = 610$ GeV 显著重叠，表明不同数据集之间的一致性。
• ATLAS与CMS在多种搜索策略与信号区域之间的观测相关性被认定为高度非平凡，极不可能由随机背景涨落引起。
• 作者预测，8 TeV LHC运行（约15 fb⁻¹）将很可能最终确认或排除该SUSY信号，基于当前来自相关 $M_{T2}$ 与多 jet 搜索的累积证据。