[论文解读] PhD Thesis - Topics in SUSY Phenomenology at the LHC

Roger H. K. Kadala|arXiv (Cornell University)|May 7, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 3

一句话总结

本博士论文研究了大型强子对撞机（LHC）上规范场论中的超对称（SUSY）现象学，重点探讨在反向超夸克质量层次模型中，通过b-打标和顶-打标技术增强对第三代超夸克的探测。研究表明，b-喷注打标显著提升了LHC对SUSY信号的探测能力，尤其在顶夸克和底夸克超伴子较轻的情况下；并提出了一种模型无关的方法，通过洛伦兹不变量和卡方拟合，从双轻子质量分布中提取中性子质量矩阵参数，结果在混合希格斯ino-规范子情景下表现良好。

ABSTRACT

This dissertation focuses on phenomenological studies for possible signals for supersymmetric events at the Large Hadron Collider (LHC). We have divided our endeavours into three separate projects. First, we consider SUSY models where the gluino production at the LHC should be rich in top and bottom quark jets. Requiring $b$-jets in addition to missing energy $\eslt$ should, therefore, enhance the supersymmetry signal relative to Standard Model backgrounds. We quantify the increase in the supersymmetry reach of the LHC from $b$-tagging in a variety of well-motivated models of supersymmetry. We also explore $top$-tagging at the LHC. Second, we explore the prospects for detecting the direct production of third generation squarks in models with an inverted squark mass hierarchy. This is signalled by $b$-jets + $\eslt$ events harder than in the Standard Model, but softer than those from the production of gluinos and heavier squarks. We find that these events can be readily separated from SM background (for third generation squark masses in the 200-400 GeV range), and the contamination from the much heavier gluinos and squarks although formidable can effectively be suppressed. Third, we attempt to extract model-independent information about neutralino properties from LHC data. assuming only the particle content of the MSSM and that all two-body neutralino decays are kinematically suppressed, with the neutralino inclusive production yielding a sufficient cross section. We show that the Lorentz invariant dilepton mass distribution encodes clear information about the relative sign of the mass eigenvalues of the parent and daughter neutralinos. We show that we can extract most neutralino mass matrix parameters if there is a double mass edge.

研究动机与目标

• 通过在反向超夸克质量层次模型中利用b-喷注和顶-喷注打标技术，提升LHC对超对称信号的灵敏度。
• 量化在mSUGRA和非统一希格斯质量模型等合理SUSY模型中，通过b-打标实现的SUSY发现能力增强程度。
• 探索在200–400 GeV质量范围内，第三类超夸克在反向质量层次情景下是否可被直接探测。
• 在两体衰变受动力学抑制的假设下，从双轻子质量谱中提取关于中性子性质的模型无关信息。
• 开发并验证一种利用洛伦兹不变双轻子质量分布和卡方拟合来约束MSSM中性子质量矩阵参数的方法。

提出的方法

• 使用MADGRAPH生成事件，PYTHIA进行部分子簇射和探测器模拟，生成模拟的SUSY事件。
• 在反向超夸克质量层次模型中，应用b-打标和顶-打标算法，以分离来自第三代超夸克的信号。
• 利用洛伦兹不变双轻子质量分布作为探测中性子质量本征态性质的探针，特别是质量本征值之间的相对符号。
• 对衰变振幅应用Fierz变换，将双轻子质量谱与中性子质量矩阵元素关联起来。
• 对双轻子质量分布进行卡方拟合，以提取对MSSM参数（M1, M2, µ, tanβ）的约束，同时对其他参数进行边缘化处理。
• 实施轻子pT截断（0 GeV和6 GeV），以抑制标准模型背景并提高信号灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在反向超夸克质量层次模型中，b-打标在多大程度上增强了LHC对SUSY信号的探测能力？
• RQ2 尽管存在标准模型和更重的SUSY背景，质量在200–400 GeV之间的第三代超夸克是否可通过b-喷注 + Emiss_T信号被直接探测？
• RQ3 洛伦兹不变双轻子质量分布是否能编码MSSM中中性子质量本征值之间相对符号的信息？
• RQ4 仅基于双轻子质量谱和运动学端点，可以对MSSM中性子质量矩阵参数（M1, M2, µ, tanβ）施加何种约束？
• RQ5 当应用于两体衰变受抑制的压缩SUSY谱时，中性子参数拟合技术的鲁棒性如何？

主要发现

• 在反向超夸克质量层次模型中，b-打标显著增强了LHC对SUSY信号的探测能力，尤其在顶夸克和底夸克超伴子较轻时效果明显。
• 对于质量在200–400 GeV范围内的第三代超夸克，具有b-喷注和缺失横向动量的事件可有效与标准模型背景分离。
• 通过优化分析截断，可有效抑制来自更重胶子微子和超夸克的污染，实现清晰的信号提取。
• 洛伦兹不变双轻子质量分布编码了母中性子与子中性子质量本征值之间的相对符号，从而实现模型无关的约束。
• 在混合希格斯ino-规范子中性子存在双质量边界的有利情况下，卡方拟合方法成功恢复了MSSM参数：M1 = −95至−58 GeV，M2 = 360至475 GeV，µ = 87至127 GeV，而tanβ保持未约束状态。
• Z玻色子交换可能在双轻子谱中模仿选择子交换，引入简并性，可能需要额外数据才能解决。