[论文解读] Prospects of New Physics searches using High Lumi - LHC

A. Çakır|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文利用升级后的CMS和ATLAS探测器，模拟了在质心系能量14 TeV下质子-质子碰撞，积分亮度最高达3000/fb，评估了在高亮度LHC（HL-LHC）上发现新物理的前景。结果表明，更高的亮度显著提升了对超对称性、奇异共振态和长寿命粒子的探测灵敏度，使新物理模型的发现阈值降低一个数量级，远低于当前限制。

ABSTRACT

After the observation of a Higgs boson near 125 GeV, the high energy physics community is investigating possible next steps for entering into a new era in particle physics. It is planned that the Large Hadron Collider will deliver an integrated luminosity of up to 3000/fb for the CMS and ATLAS experiments, requiring several upgrades for all detectors. The reach of various representative searches for supersymmetry and exotica physics with the upgraded detectors are discussed in this context, where a very high instantaneous luminosity will lead to a large number of pileup events in each bunch crossing. This note presents example benchmark studies for new physics prospects with the upgraded ATLAS and CMS detectors at a centre-of-mass energy of 14 TeV. Results are shown for an integrated luminosity of 300/fb and 3000/fb.

研究动机与目标

• 评估HL-LLC对标准模型之外新物理的探测灵敏度，特别是超对称性和奇异粒子模型。
• 评估积分亮度（最高达3000/fb）和更高堆叠（最高达140个每束团簇交叉相互作用）对新物理发现能力的影响。
• 研究探测器升级和堆叠效应如何影响BSM搜索中的关键可观测量，如HT和MET。
• 为特定BSM模型（包括长寿命粒子和重共振态）投影改进的排除限和发现限。
• 使用快速模拟和参数化探测器模型，为未来HL-LHC分析提供基准研究。

提出的方法

• 使用参数化快速探测器模拟，对√s = 14 TeV下的质子-质子碰撞进行模拟，适用于CMS和ATLAS。
• 对多种BSM模型开展灵敏度研究，包括R-奇偶性守恒的SUSY、矢量玻色子散射和奇异共振态。
• 使用似然函数拟合信号和背景模板，以95%置信水平和5σ显著性水平投影排除限和发现限。
• 通过建模在高堆叠条件（最高达140个每束团簇交叉相互作用）下探测器性能退化，考虑堆叠效应对HT和MET重建的影响。
• 通过将8 TeV结果按积分亮度线性缩放，并调整14 TeV下的运动学和触发效率变化，投影信号产额。
• 评估长寿命粒子搜索，利用飞行时间（time-of-flight）和dE/dx信号，考虑探测器升级后读出和触发窗口变化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在3000/fb积分亮度下，HL-LHC对超对称粒子（如胶微子和标量夸克）的预期发现能力如何？
• RQ2 在高瞬时亮度下（最高达140个每束团簇交叉相互作用），堆叠效应如何降低BSM搜索中HT和MET等关键可观测量的重建精度？
• RQ3 在二轻子末态和轻子+喷注末态中，对Kaluza-Klein胶子和重Z′玻色子等奇异共振态的探测灵敏度如何？
• RQ4 LS3期间探测器升级将如何影响长寿命带电粒子的搜索，特别是在dE/dx和飞行时间测量方面？
• RQ5 与当前LHC结果相比，HL-LHC在排除长寿命粒子方面能将限制提升多少？

主要发现

• 在简化模型中，HL-LHC在3000/fb积分亮度下，预计可将胶微子和标量夸克对产生过程的发现能力扩展至质量超过2.5 TeV。
• 对于矢量夸克和重共振态，HL-LHC在95%置信水平下对Z′玻色子的探测灵敏度可达：二轻子道中5.5 TeV，轻子+喷注道中5.0 TeV。
• 通过t̄t末态探测Kaluza-Klein胶子的灵敏度显著提升，5σ显著性下可实现高达4.5 TeV的gKK质量发现潜力。
• 对长寿命胶微子和顶标量夸克的搜索，若能同时测量飞行时间和dE/dx信号，可将成对产生截面的排除限降低至少一个数量级，优于当前限制。
• 即使在CMS追踪器升级后dE/dx测量不再可行，仅依靠飞行时间信号，长寿命粒子搜索仍保持灵敏，可将探测能力延伸至更低的截面。
• 随着亮度提升，对奇异模型（如重稳定带电粒子和停微子对产生）的探测灵敏度显著提高，在有利情况下可实现低于0.1 pb的信号发现能力。