[论文解读] Supersymmetry Without Prejudice at the 7 TeV LHC

John A. Conley, James S. Gainer+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文评估了ATLAS在7 TeV LHC上基于mSUGRA启发的缺失横向能量（E_T^miss）搜索在广泛、模型无关的71,000个pMSSM模型中对超对称性的发现潜力。尽管覆盖范围较广——在50%背景系统不确定性的10 fb⁻¹条件下最高可达95%——但系统不确定性和特定模型的运动学特征（尤其是微小的质量分裂和稳定末态粒子）限制了覆盖范围，即使生产截面很大也无法检测到。

ABSTRACT

We investigate the model independent nature of the Supersymmetry search strategies at the 7 TeV LHC. To this end, we study the missing-transverse-energy-based searches developed by the ATLAS Collaboration that were essentially designed for mSUGRA. We simulate the signals for ~71k models in the 19-dimensional parameter space of the pMSSM. These models have been found to satisfy existing experimental and theoretical constraints and provide insight into general features of the MSSM without reference to a particular SUSY breaking scenario or any other assumptions at the GUT scale. Using backgrounds generated by ATLAS, we find that imprecise knowledge of these estimated backgrounds is a limiting factor in the potential discovery of these models and that some channels become systematics-limited at larger luminosities. As this systematic error is varied between 20-100%, roughly half to 90% of this model sample is observable with significance S>5 for 1 fb^{-1} of integrated luminosity. We then examine the model characteristics for the cases which cannot be discovered and find several contributing factors. We find that a blanket statement that squarks and gluinos are excluded with masses below a specific value cannot be made. We next explore possible modifications to the kinematic cuts in these analyses that may improve the pMSSM model coverage. Lastly, we examine the implications of a null search at the 7 TeV LHC in terms of the degree of fine-tuning that would be present in this model set and for sparticle production at the 500 GeV and 1 TeV Linear Collider.

研究动机与目标

• 在模型无关的唯象MSSM（pMSSM）框架下，评估ATLAS基于mSUGRA启发的E_T^miss搜索在LHC上发现超对称性的潜力。
• 确定这些为mSUGRA设计的搜索方法在更广泛、更复杂的pMSSM参数空间中的有效性。
• 识别尽管生产截面较高但仍降低模型覆盖度的关键因素，如微小的质量分裂和稳定末态粒子。
• 评估LHC零结果对自然性（fine-tuning）和未来直线对撞机前景的影响。
• 探索对现有ATLAS分析中关键运动学截断的改进，以提升模型覆盖度。

提出的方法

• 在19维参数空间中对约71,000个pMSSM模型进行信号模拟，满足所有当前实验和理论约束。
• 使用ATLAS生成的SM背景分布进行基于E_T^miss的搜索，系统不确定度在20%至100%之间变化。
• 通过显著性S ≥ 5来评估发现潜力，分别针对1 fb⁻¹和10 fb⁻¹的积分亮度。
• 分析模型可观测性与生产截面、质量分裂（如胶球-暗物质粒子LSP）及级联衰变运动学的关系。
• 通过系统扫描截断值，探索对关键运动学截断（尤其是M_eff、首道喷注p_T和E_T^miss）的修改。
• 评估零结果对自然性（通过依赖先验的度量）和未来直线对撞机（500 GeV和1 TeV）中超粒子产生的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于mSUGRA启发的E_T^miss搜索在7 TeV LHC上对pMSSM模型的发现效率如何？
• RQ2 除了生产截面之外，哪些因素限制了这些搜索中pMSSM模型的可观测性？
• RQ3 SM背景估计中的系统不确定度在多大程度上影响了ATLAS搜索的模型覆盖范围？
• RQ4 对运动学截断进行修改在多大程度上能提升pMSSM全空间中的发现潜力？
• RQ5 若LHC获得零结果，对自然性和未来直线对撞机物理将产生何种影响？

主要发现

• 在1 fb⁻¹积分亮度下，根据背景系统不确定度（20–100%）的不同，约50–90%的pMSSM模型样本可被发现。
• 4j0l通道提供了最高的发现潜力，而轻子通道由于级联衰变受抑制，覆盖度显著降低。
• 具有低质量胶球或标量夸克且截面较大的模型，有时因超粒子与LSP之间质量分裂过小而无法被探测到。
• 大量未被探测到的模型在级联衰变末态中包含在探测器中稳定的超粒子，这些粒子无法被基于E_T^miss的搜索探测到。
• 稳定带电粒子搜索可探测其中一部分但非全部此类稳定超粒子模型，表明覆盖不完整。
• 通过优化运动学截断（尤其是提高E_T^miss和首道喷注p_T阈值）可提升模型覆盖度，且不会牺牲探测灵敏度。