[论文解读] Reach in All Hadronic Stop Decays: A Snowmass White Paper

Daniel Stolarski|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 6

一句话总结

本Snowmass白皮书评估了未来强子对撞机中通过完全强子末态探测胶子衰变停止粒子的发现能力，采用顶夸克识别技术和缺失横向能量截断以抑制背景。估算表明，在33 TeV对撞机上5σ发现能力可达3.0 TeV，在100 TeV对撞机上可达5.7 TeV，证明高能对撞机即使在背景挑战下仍可探测重的停止粒子。

ABSTRACT

We study the discovery prospects for stops which decay to a top and a light neutralino. We consider fully hadronic decays of the tops and present an estimate for the reach at various future collider runs. Our results are summarized in Table 1.

研究动机与目标

• 评估未来高能强子对撞机中完全强子末态下停止粒子的发现潜力。
• 解决在强子衰变中区分停止信号与主导的QCD和$t\bar{t}Z$背景的挑战。
• 评估顶夸克识别技术和缺失横向能量截断在最小化轻子诱导背景前提下分离信号的有效性。
• 为不同对撞机方案（包括HL-LHC、HE-LHC和VLHC）提供停止质量与对产生截面的保守发现能力估算。

提出的方法

• 使用MadGraph 5进行部分子级模拟，计算停止对产生信号的效率与截面。
• 应用严格截断：两个顶夸克均强子衰变（效率46%），一个b夸克识别（70%），两个顶夸克均通过顶夸克识别（25%），且两个顶夸克的$p_T > 500$ GeV（效率19%）。
• 施加缺失横向能量截断（14 TeV时>600 GeV，33 TeV时>2.0 TeV，100 TeV时>4.0 TeV）以抑制背景。
• 对$t\bar{t}$、半轻顶夸克衰变和具有隐形Z衰变的$t\bar{t}Z$背景估算背景截面，应用相同截断。
• 使用简化显著性公式：$\sigma_s = \frac{N_\sigma}{\varepsilon_s} \sqrt{\frac{\varepsilon_b \sigma_b}{L}}$，其中$\varepsilon_s$为信号效率，$\varepsilon_b \sigma_b$为有效背景截面，$L$为亮度。
• 通过树级MadGraph 5截面将估算截面转化为停止质量发现能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HE-LHC和VLHC等未来强子对撞机中，完全强子末态下停止粒子的可实现发现能力是多少？
• RQ2 在完全强子末态中，顶夸克识别与缺失横向能量截断在抑制主导QCD和$t\bar{t}Z$背景方面的有效性如何？
• RQ3 在高能下，停止粒子衰变为顶夸克与稳定中性ino的信号效率是多少？其随对撞机能量与亮度如何演化？
• RQ4 在高亮度LHC条件下，积压效应如何影响此通道中顶夸克识别与缺失能量重建的性能？
• RQ5 尽管存在来自具有隐形Z衰变的$t\bar{t}Z$的大量背景，能否通过足够纯净的信号分离实现在高能对撞机上的5σ发现？

主要发现

• 对于1 TeV的停止粒子，其强子衰变的信号效率估算为0.52%，结合了顶夸克识别、b夸克识别与运动学截断。
• 在HL-LHC（14 TeV，3 ab⁻¹）条件下，5σ发现能力估算为1.2 TeV的停止质量，对应对产生截面为1.1 fb。
• 在33 TeV对撞机（3 ab⁻¹）条件下，5σ发现能力扩展至3.0 TeV的停止质量，对应截面发现能力为91 ab。
• 在100 TeV对撞机（1 ab⁻¹）条件下，5σ发现能力达到5.7 TeV的停止质量，对应截面发现能力为200 ab。
• 具有隐形Z衰变的$t\bar{t}Z$背景在高能下占主导，但因硬缺失能量截断仍保持次级背景地位。
• 研究发现，提高对撞机能量可显著增强背景抑制能力，使在33 TeV和100 TeV对撞机上探测重停止粒子成为可能。