[论文解读] SUSY Signatures at LHC

F. Paige|ArXiv.org|Nov 1, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文概述了在大型强子对撞机（LHC）上寻找超对称性（SUSY）的研究，重点分析了涉及缺失横向能量（$\not{E}_T$）和胶子微子与夸克双荷产生中喷注的信号。结果表明，当亮度为$10\,\text{fb}^{-1}$时，LHC可发现质量高达$2\,\text{TeV}$的TeV尺度SUSY粒子，并提出了利用运动学端点方法在轻型超对称粒子（$\tilde{\chi}_1^0$）不可见的情况下测量SUSY粒子质量的方法。

ABSTRACT

The ATLAS and CMS Collaborations at the CERN Large Hadron Collider (LHC) have devoted considerable effort to the study of SUSY signatures and measurements. This talk provides an overview of what can be learned at the LHC if TeV-scale SUSY exists.

研究动机与目标

• 使用多喷注 + $\not{E}_T$ 信号评估LHC在TeV尺度超对称性方面的发现潜力。
• 开发并评估当最轻的超对称粒子（$\tilde{\chi}_1^0$）不可见时，利用运动学端点技术测量SUSY粒子质量的方法。
• 探索不同R-奇偶性及R-奇偶性破坏情景下的模型依赖性SUSY信号，包括GMSB和AMSB模型。
• 识别并表征具有特征性的信号，如光子、长寿命粒子和轻子衰变，以增强发现潜力。
• 建立一套系统性的初始SUSY测量程序，整合多种运动学和拓扑可观测量。

提出的方法

• 使用部分子喷射蒙特卡罗程序（如HERWIG、ISAJET、PYTHIA）模拟SUSY事例和标准模型背景，并结合快速探测器模拟。
• 应用运动学截断条件，如对喷注的$E_T > 100, 50, 50, 50\,\text{GeV}$，以及$\not{E}_T > 100\,\text{GeV}$，以分离SUSY信号。
• 将有效质量变量$M_{\text{eff}} = \not{E}_T + \sum p_{Tj}$作为区分信号与背景的关键判据。
• 通过双轻子和$\tau\tau$末态中的运动学端点重建质量尺度，利用动量和极化依赖性。
• 利用ATLAS探测器的时间飞行和顶点分辨率识别长寿命粒子，如$\tilde{\chi}_1^0 \to \tilde{G}\gamma$或长寿命 selectron NLSP。
• 对级联过程中的$\tilde{\chi}_1^0$衰变应用端点分析，即使缺乏直接的质量峰，也能推断质量组合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用$10\,\text{fb}^{-1}$积分亮度的情况下，LHC对质量高达$2\,\text{TeV}$的胶子微子和夸克双荷的发现能力如何？
• RQ2 当最轻的超对称粒子不可见时，如何利用双轻子和$\tau\tau$末态中的运动学端点推断SUSY粒子质量？
• RQ3 规范介导的超对称性破缺（GMSB）模型的特征信号是什么，特别是对长寿命中性子或 selectron？
• RQ4 不同的R-奇偶性破坏模式如何影响SUSY信号的可探测性，特别是在缺乏$b$喷注的情况下？
• RQ5 利用飞行时间与顶点重建技术，测量长寿命粒子（如$\tilde{\chi}_1^0$或$\tilde{\ell}$）寿命的可行性如何？

主要发现

• 在R-奇偶性守恒的假设下，LHC仅使用$10\,\text{fb}^{-1}$的积分亮度即可发现质量高达$2\,\text{TeV}$的胶子微子和夸克双荷。
• 对于mSUGRA模型，$5\sigma$发现能力在多喷注 + $\not{E}_T$通道中可延伸至约$1500\,\text{GeV}$的胶子微子和夸克双荷质量，对应于一个月内10%设计亮度。
• 双轻子末态（如$e^+e^-$、$\mu^+\mu^-$）中的运动学端点可实现SUSY质量尺度的重建，$100\,\text{fb}^{-1}$的数据可实现精确测量。
• $\tau\tau$质量分布对螺旋态反转和衰变模式分离具有明显敏感性，利用精细的量能器和轨迹仪信息可重建出可见的$\tau$质量。
• 对于具有长寿命$\tilde{\chi}_1^0 \to \tilde{G}\gamma$的GMSB模型，ATLAS探测器对$c\tau \sim 100\,\text{km}$的灵敏度可达，光子角度和时间分辨率可实现对位移光子的探测。
• 长寿命 selectron NLSP 可通过μ子系统中的飞行时间测量识别，其寿命可通过统计零个、一个或两个此类轨迹的事件数进行估算。