[论文解读] Probing light bino and higgsinos at the LHC

Chengcheng Han|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文研究了在14 TeV LHC下，简化MSSM框架中轻量级bino类LSP与higgsino类NLSP的发现潜力。通过模拟来自chargino与neutralino对产生过程的三轻子末态，发现即使当前weinman类chargino的限制有限，利用300 fb⁻¹的亮度，仍可在3σ显著性水平下探测到bino质量为40–60 GeV、higgsino质量为160–300 GeV的区域。

ABSTRACT

Motivated by the naturalness, we study a simplified MSSM scenario where only the bino-like LSP and higgsino-like NLSP are light. We first scan the parameter space of this scenario, considering the constraints from the Higgs mass, flavor physics, electroweak precision measurements and dark matter experiments. Then in the allowed parameter space, we perform a Monte Carlo simulation for the $ ildeχ^\pm_1 ildeχ^0_{2,3}$ production followed by $ ildeχ^\pm_1 o W^\pm ildeχ^0_1$ and $ ildeχ^0_{2,3} o Z ildeχ^0_1$. By examining the presently available trilepton bounds on the wino-like chargino/neutralino, we find that only a narrow region $40\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_1} \lesssim 50\, m{GeV}$ and $160\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_{2,3}} \lesssim 170\, m {GeV}$ on the plane of $m_{ ildeχ^0_1}-m_{ ildeχ^0_{2,3}}$ can be excluded. Finally, we explore the potential of trilepton signature in probing such a scenario at 14 TeV LHC and find that the region with $40\, m{GeV} \lesssim m_{ ildeχ^0_1} \lesssim 60\, m {GeV}$ and $160 m {GeV}\,\lesssim m_{ ildeχ^0_{2,3}} \lesssim 300\, m{GeV}$ can be covered at $3σ$ level with luminosity ${\cal L}=300$ fb$^{-1}$.

研究动机与目标

• 探索仅含轻量级bino LSP与higgsino NLSP的自然性驱动简化MSSM情景。
• 识别满足希格斯玻色子质量、味物理、电弱精确测量与暗物质约束的可行参数空间。
• 评估该情景下14 TeV LHC对三轻子信号的发现潜力。
• 重新解释当前weinman类chargino/neutralino搜索结果，以higgsino NLSP与bino LSP为背景。
• 确定未来LHC搜索在300 fb⁻¹亮度下的灵敏度覆盖范围。

提出的方法

• 在M₁（1–100 GeV）、μ（100–300 GeV）与tanβ（3–60）范围内进行全局参数扫描，同时变化stop扇区参数（700–2000 GeV，−3–3 TeV）。
• 利用FeynHiggs 2.8.9与HiggsBounds 3.8.0施加希格斯玻色子质量（123–127 GeV）约束。
• 使用SuperIso v3.3在2σ水平内约束味物理与电弱精确测量。
• 使用Prospino2.1对$\tilde{\tilde{\chi}}^{\pm}_{1}\tilde{\chi}^{0}_{2,3}$产生过程进行蒙特卡洛模拟，随后为衰变链$\tilde{\chi}^{\pm}_{1} \to W^\pm \tilde{\chi}^{0}_{1}$与$\tilde{\chi}^{0}_{2,3} \to Z \tilde{\chi}^{0}_{1}$。
• 背景（t\bar{t}、二玻色子）在8 TeV下使用MadGraph模拟，并通过实验截面比值缩放至14 TeV，应用10%系统不确定性。
• 显著性通过$ S / \sqrt{B + (0.1B)^2} $计算，信号与背景事件均施加相同的运动学切割。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前实验约束（希格斯物理、味、电弱精确测量与暗物质）下，bino–higgsino质量平面上哪些区域是可行的？
• RQ2 当NLSP为higgsino类而非weinman类时，当前对weinman类chargino与neutralino的三轻子搜索如何限制参数空间？
• RQ3 在14 TeV LHC下，300 fb⁻¹亮度时，三轻子信号对轻量级bino与higgsino状态的发现潜力如何？
• RQ4 bino LSP与higgsino NLSP的存在如何影响信号拓扑结构与背景抑制，相较于weinman类情景？
• RQ5 与PLANCK暗物质丰度一致的参数空间区域是否可在2σ或3σ显著性水平下被探测？

主要发现

• 仅一个狭窄区域（$ 40\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{1}} \lesssim 50\,\text{GeV} $与$ 160\,\text{GeV} \lesssim m_{\tilde{\chi}^{0}_{2,3}} \lesssim 170\,\text{GeV} $）被当前weinman类chargino/neutralino三轻子约束所排除。
• 三轻子信号可在300 fb⁻¹亮度下，以3σ显著性水平探测到bino质量为40–60 GeV、higgsino质量为160–300 GeV的区域。
• 靠近$ WZ $背景动力学区域的小部分参数空间仍低于2σ显著性，但随亮度提高将更易探测。
• 与2σ PLANCK暗物质丰度一致的区域通常可在2σ显著性水平下被覆盖，部分区域甚至达到5σ发现潜力。
• 通过使用实验比例因子将8 TeV的MadGraph模拟缩放至14 TeV，背景估计得到改善，减少了模拟与实验之间的偏差。
• 在10%系统不确定性下，信号显著性保持稳健，其中$ Z $富集区域主要由$ WZ $主导，$ Z $贫乏区域则主要由$ t\bar{t} $背景主导。