[论文解读] Supersymmetry production cross sections in pp collisions at sqrt{s} = 7 TeV

Michael Krämer, Anna Kulesza+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用 162

一句话总结

该论文提出了一套标准化框架，用于计算质子-质子（pp）对撞中√s = 7 TeV 时超对称（SUSY）粒子的产生截面及其理论不确定性，采用下一阶微扰（NLO）和下一阶对数（NLL）量子色动力学（QCD）修正。该框架为 squark、gluino、stop、sbottom 及电弱SUSY态提供了基准截面和不确定性估计，其中不确定性主要由部分子分布函数（PDF）和尺度变化主导，尤其在高能质量下更为显著。

ABSTRACT

This document emerged from work that started in January 2012 as a joint effort by the ATLAS, CMS and LPCC supersymmetry (SUSY) working groups to compile state-of-the-art cross section predictions for SUSY particle production at the LHC. We present cross sections for various SUSY processes in pp collisions at $\sqrt{s} =7$ TeV, including an estimate of the theoretical uncertainty due to scale variation and the parton distribution functions. Further results for higher LHC centre-of-mass energies will be collected at https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/LHCPhysics/SUSYCrossSections. For squark and gluino production, which dominate the inclusive SUSY cross section, we employ calculations which include the resummation of soft gluon emission at next-to-leading logarithmic accuracy, matched to next-to-leading order (NLO) SUSY-QCD. In all other cases we rely on NLO SUSY-QCD predictions.

研究动机与目标

• 为 LHC 上 pp 对撞（特别是 √s = 7 TeV）的 SUSY 产生截面建立一致的理论框架。
• 通过采用 NLO 和 NLL QCD 修正，减少 SUSY 截面预测中的理论不确定性，提升实验解释的精度。
• 量化并标准化不同 SUSY 产生通道中的理论不确定性，特别是来自尺度变化和 PDF 集的影响。
• 为 ATLAS 和 CMS 合作组提供一致理论输入的参考，以解释 LHC 实验数据。
• 随着 LHC 数据采集的推进，将该框架扩展至更高质心系能量（如 8 TeV）。

提出的方法

• 对 squark、gluino、stop 和 sbottom 成对产生过程采用下一阶微扰（NLO）和下一阶对数（NLL）QCD 修正。
• 通过同时改变因子化尺度和重整化尺度（在参考尺度 μ 的 0.5–2 倍范围内，μ 定义为末态超对称粒子质量的平均值）来估算尺度不确定性。
• 采用多种 PDF 集（CTEQ6.6 和 MSTW2008）评估与 PDF 相关的不确定性，且误差处理方式保持一致。
• 在 CMSSM 框架下（tanβ = 10，A₀ = 0 GeV，μ > 0）计算色荷 SUSY 态（squark、gluino）和电弱 SUSY 态（chargino、neutralino、slepton）的截面。
• 使用 Prospino2 处理 stop 成对产生中的解耦极限，并确保虚修正中反项和 αs 运行的一致性。
• 通过比较不同 PDF 集和尺度变化的结果，推导出总理论不确定性，并在 m₀–m₁/₂ 质量平面上进行可视化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 7 TeV 的 pp 对撞中，squark 和 gluino 成对产生的 NLO+NLL 截面是多少？其主要理论不确定性来源是什么？
• RQ2 尺度不确定性和 PDF 不确定性如何影响 LHC 数据中 SUSY 排除极限的解释？
• RQ3 stop 和 sbottom 成对产生的截面和不确定性是多少？与轻味 squark 产生相比有何差异？
• RQ4 电弱 SUSY 产生过程（如 chargino/neutralino 和 slepton 成对产生）的理论不确定性与强相互作用产生通道相比如何？
• RQ5 在高质质量 SUSY 情形下，PDF 不确定性在多大程度上超过尺度不确定性？

主要发现

• 色荷 SUSY 态（squark 和 gluino）的理论不确定性主要由 PDF 不确定性主导，尤其在高质质量下，尺度不确定性通常低于 10%。
• 对于 chargino 和 slepton 对等电弱 SUSY 态，尺度不确定性通常低于 10%，但与色荷态的关联产生过程不确定性可高达 35%。
• 使用 CTEQ6.6 和 MSTW2008 两种 PDF 集时，chargino 对产生相关的 PDF 不确定性均低于 5%，表明这些通道具有良好的稳定性。
• 引入 NLO+NLL 修正后，当尺度选择靠近超对称粒子质量时，截面显著高于领先阶（LO）预测，且理论不确定性带明显缩小。
• 与早期仅使用 NLO 的估计相比，该框架成功降低了理论不确定性，使 SUSY 搜索中的排除极限和发现潜力更加精确。
• 该工作小组在 SUSY 截面工作组的 twiki 页面上维护了多种 SUSY 模型和参数下的截面与不确定性完整集合，并计划将框架扩展至 8 TeV 及更高能量。