[论文解读] Reconstructing CMSSM parameters at the LHC with $\sqrt{s}=14$ TeV via the golden decay channel

Andrew Fowlie, M. Kazana+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文表明，在CMSSM的重右 sleptau-湮灭区域中，一个与LHC和宇宙学数据一致的基准点，可通过在√s = 14 TeV、300 fb⁻¹亮度下探测黄金衰变道（squark → slepton → jjℓℓ̄Eₜₜ）在LHC上被发现。通过蒙特卡洛模拟与运动学端点分析，结果表明可精确测量超粒子质量，从而实现对CMSSM参数的高精度贝叶斯重建，除三线性参数A₀外，其精度可通过引入Planck和希格斯玻色子质量数据进一步提升。

ABSTRACT

We identify a benchmark point in the CMSSM's heavy stau-coannihilation region, which is favored by experiments, and demonstrate that it could be accessible to the LHC at $\sqrt{s}=14$ TeV with 300/fb of integrated luminosity via a golden decay measurement. With Monte-Carlo, we simulate sparticle production and subsequent golden decay at the event level and perform pseudo-measurements of sparticle masses from kinematic endpoints in invariant mass distributions. We find that two lightest neutralino masses and the first and second generation left-handed slepton and squark masses could be rather precisely measured with correlated uncertainties. We investigate whether from such measurements one could determine the CMSSM's Lagrangian parameters by including a likelihood from our pseudo-measurements of sparticle masses in a Bayesian analysis of the CMSSM's parameter space. We find that the CMSSM's parameters can be accurately determined, with the exception of the common trilinear parameter. Experimental measurements of the relic density by Planck and the Higgs boson's mass slightly improve this determination, especially for the common trilinear parameter. Finally, within our benchmark scenario, we show that the neutralino dark matter will be accessible to direct searches in future one tonne detectors.

研究动机与目标

• 识别一个与当前LHC、Planck及希格斯玻色子质量约束一致的CMSSM基准点，位于重右 sleptau-湮灭区域。
• 评估该基准点在√s = 14 TeV、300 fb⁻¹亮度下，通过黄金衰变道在LHC上被发现的可行性。
• 在事件层面模拟超粒子产生与衰变过程，并利用不变质量分布中的运动学端点技术提取超粒子质量。
• 研究所测得的超粒子质量是否可用于通过贝叶斯推断重建底层CMSSM拉格朗日量参数。
• 评估重建模型在直接暗物质探测与稀有衰变分支比方面的预测能力。

提出的方法

• 在√s = 14 TeV、300 fb⁻¹亮度下，对LHC中超粒子产生与黄金衰变链（q̃ → ẽ → qℓℓ̄Eₜₜ）进行蒙特卡洛模拟。
• 对不变质量分布进行运动学端点分析，以提取最轻的两个中性子质量、第一代左手型 slepton 与 squark 的质量。
• 构建协方差矩阵，以量化所测得的超粒子质量之间的相关不确定性。
• 采用贝叶斯统计分析，将超粒子质量的伪测量结果与Planck（遗迹密度）及希格斯玻色子质量（mₕ ≈ 125 GeV）的似然函数相结合，以推断CMSSM参数空间。
• 基于重建的CMSSM参数，预测自旋无关的WIMP-质子散射截面（σ̂SIₚ）与Bₛ → μ⁺μ⁻的分支比。
• 评估该模型对未来一吨级直接探测实验与如CTA等伽马射线望远镜的灵敏度响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 14 TeV、300 fb⁻¹亮度下，CMSSM基准点是否可通过黄金衰变道在LHC上被发现？
• RQ2 在黄金衰变链中，通过运动学端点技术能多大程度上重建超粒子质量？
• RQ3 能否通过贝叶斯推断，从测量的超粒子质量中准确重建CMSSM的拉格朗日量参数？
• RQ4 引入Planck（遗迹密度）与希格斯玻色子质量的约束后，对CMSSM参数（特别是A₀）的确定性改善程度如何？
• RQ5 该模型对直接探测（σ̂SIₚ）与稀有衰变（Bₛ → μ⁺μ⁻）的预测是否与当前及未来实验灵敏度一致？

主要发现

• 在重右 sleptau-湮灭区域的CMSSM基准点，可通过在√s = 14 TeV、300 fb⁻¹亮度下探测黄金衰变道在LHC上被发现。
• 运动学端点分析可精确测量最轻的两个中性子质量、第一代左手型 slepton 与 squark 的质量，且不确定性较小且相互关联。
• 从测量的超粒子质量出发，通过贝叶斯重建CMSSM参数，其可信区间可覆盖基准值，但共同三线性参数A₀的恢复精度有限。
• 引入Planck与希格斯玻色子质量的似然函数可显著改善A₀的确定，降低其后验分布中的偏差与不确定性。
• 预测的自旋无关WIMP-质子散射截面（σ̂SIₚ）被限制在数量级以内，且有望被未来的一吨级直接探测实验探测到。
• 该模型预测Bₛ → μ⁺μ⁻的分支比与标准模型值相差在10%以内，但该预测受标准模型背景参数与CMSSM参数误差的参数不确定性所限制。