[论文解读] SUSY Signatures in ATLAS at LHC

F. Paige|ArXiv.org|Jul 28, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文针对大型强子对撞机（LHC）ATLAS探测器中的超对称（SUSY）事例开展了全面研究，聚焦于mSUGRA框架下SUSY粒子与希格斯玻色子的发现及精确质量测量。通过多 jets + 丢失横向动量（$\not{E}_T$）事例与运动学端点分析，研究表明，ATLAS在10 fb$^{-1}$亮度下可探测到高达2 TeV的 gluino 与 squark 质量，即使缺乏明显的质量峰，也能实现对SUSY粒子质量的详细重建。

ABSTRACT

This talk summarizes work by the ATLAS Collaboration at the CERN Large Hadron Collider on the search SUSY particles and Higgs bosons and on possible measurements of their properties.

研究动机与目标

• 开发并评估ATLAS在LHC上探测超对称粒子与希格斯玻色子的策略，尤其在mSUGRA模型下。
• 识别稳健的实验事例，特别是多 jets + $\not{E}_T$，以区分SUSY事例与标准模型背景。
• 建立利用衰变产物运动学端点测量SUSY粒子质量组合的方法，即使由于R-奇偶性守恒而缺乏明显的质量峰。
• 评估ATLAS对SM类希格斯玻色子及重希格斯态在各种产生与衰变通道中的探测灵敏度。
• 提出一种系统性的、与模型无关的SUSY发现与表征方法，结合运动学可观测量与多通道分析。

提出的方法

• 使用部分子簇射蒙特卡罗生成器（Herwig、Pythia、Isajet）模拟SUSY信号与标准模型背景。
• 采用基于GEANT的探测器模拟，结合参数化分辨率与接受度，以建模ATLAS对末态粒子的响应。
• 应用如 $M_{\rm eff} = \not{E}_T + \sum E_{T,j}$ 等运动学变量，以增强多 jets + $\not{E}_T$ 事例中信号与背景的分离。
• 通过双轻子与 $\ell\ell j$ 质量分布中的运动学端点测量，提取SUSY粒子质量的组合。
• 结合 $e\mu$、$ee+\mu\mu$ 与 $\ell h$ 末态，以抑制背景并增强对 $h \to \tau\tau$ 衰变的探测灵敏度。
• 通过 $gb \to tH^{-}$ 与 $H^{-} \to \tau^{-}\bar{\nu}$ 通道重建重希格斯玻色子，依赖于高能强子化 $\tau$ 稳态与 $t$-夸克重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，ATLAS探测器在mSUGRA模型下对gluino与squark的预期探测范围是什么？
• RQ2 如何利用双轻子与 $\ell\ell j$ 质量分布中的运动学端点来测量SUSY粒子质量的组合？
• RQ3 在100\,{\rm fb}^{-1}下，ATLAS对SM类希格斯玻色子在不同产生与衰变通道中的探测灵敏度如何？
• RQ4 能否在 $\tan\beta \gg 1$ 条件下，通过 $H^{-} \to \tau^{-}\bar{\nu}$ 衰变模式重建重希格斯玻色子？
• RQ5 包含 $\not{E}_T$、jets 与轻子的多通道分析如何提升对希格斯玻色子耦合常数的测量精度？

主要发现

• ATLAS在仅0.1 fb$^{-1}$积分亮度下即可探测到超过1 TeV的gluino与squark质量，在10 fb$^{-1}$下可达到2 TeV，适用于mSUGRA模型。
• $M_{\rm eff}$ 变量能有效将SUSY信号与标准模型背景分离，在高 $M_{\rm eff}$ 区域观察到信号主导。
• 在 $M_{\ell\ell}$ 分布中测量运动学端点，可精确确定 $M_{\tilde{\chi}_2^0} - M_{\tilde{\chi}_1^0}$，从而区分二体与三体衰变。
• 在100\,{\rm fb}^{-1}下，通过组合多个衰变通道，SM希格斯玻色子的发现显著性超过$10\sigma$，且至少在一个通道中对每个希格斯质量实现$5\sigma$灵敏度。
• $WW \to h \to \tau\tau$ 通道的信号截面约为1.0 fb，背景为0.5 fb，可实现对 $\Gamma_{h,WW} \cdot \Gamma_{h,\tau\tau}$ 的测量。
• 在 $H^{-} \to \tau^{-}\bar{\nu}$ 衰变模式中，可通过一个高能强子化 $\tau$ 稳态、两个非 b jets 与一个符合顶夸克衰变的 b jet 重建重希格斯玻色子。