Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Grenzen stellen op Supersymmetry behulp vereenvoudigd Modellen

Published: November 15, 2013 doi: 10.3791/50419
Automatic Translation
1, 2,3
1Department of Physics and Astronomy, University College London, 2CERN, 3Physics Division, Lawrence Berkeley National Laboratories

Summary

Deze paper toont een protocol voor herschikking experimentele vereenvoudigd model maxima in conservatieve en agressieve beperkingen op een willekeurige nieuwe fysica model. Publiek beschikbare LHC experimentele resultaten kunnen worden herschikt op deze manier naar limieten op bijna elke nieuwe fysica model met een supersymmetrie-achtige handtekening.

Abstract

Experimentele grenzen supersymmetrie en dergelijke theorieën zijn moeilijk om door de enorme beschikbare parameterruimte en moeilijk te generaliseren vanwege de complexiteit van centrale. Daarom zijn meer fenomenologische, vereenvoudigde modellen steeds populairder voor het instellen van experimentele grenzen, omdat ze duidelijker fysieke interpretaties. Het gebruik van deze vereenvoudigde model grenzen voor een echte limiet op een betonnen theorie echter niet aangetoond. Deze paper herschikking vereenvoudigd model grenzen naar limieten op een specifieke en volledige supersymmetrie model, minimaal supergravity. Grenzen verkregen onder verschillende fysieke aannames zijn vergelijkbaar met die welke door gerichte zoekacties. Een recept wordt verstrekt voor de berekening van conservatieve en agressieve beperkingen op aanvullende theorieën. Met behulp van acceptatie en efficiëntie tafels, samen met de verwachte en waargenomen aantallen events in verschillende signaal gebieden, kan LHC experimentele resultaten worden herschikt in deze manner in bijna elke theoretisch kader, met inbegrip van nonsupersymmetric theorieën met supersymmetrie-achtige handtekeningen.

Introduction

Een van de meest veelbelovende uitbreidingen van het Standaard Model, supersymmetrie (SUSY) 1-14, is de centrale focus van veel zoekopdrachten door de LHC-experimenten bij CERN. De in 2011 verzamelde gegevens zijn al voldoende om de grenzen van de nieuwe fysica voorbij die van een vorige versneller 15-22 duwen. Nieuwe gegevens komen en de uitsluitingen zijn nog steeds verder wordt ingedrukt, wordt het steeds belangrijker om duidelijk te communiceren naar de natuurkundige gemeenschap wat regio's van de uitgebreide supersymmetrische parameter ruimte zijn uitgesloten zijn. Huidige grenzen zijn meestal ingesteld op beperkte tweedimensionale vlakken, die vaak niet die van de diverse beschikbare SUSY parameter ruimte in en zijn moeilijk te begrijpen als beperkingen op de fysieke massa's of vertakking fracties. Een grote verzameling van vereenvoudigde modellen 23, zijn 24 voorgesteld voor het helpen in het begrijpen van deze grenzen, en zowel ATLAS en CMS hebben resultaten bedoelde uitsluiting voor een aantal van deze modellen 15-20.

Deze paper toont de toepassing van deze vereenvoudigde model uitsluitingen om een volledig nieuwe fysica model met behulp van het voorbeeld van de minimale superzwaartekracht (mSUGRA, ook bekend als de CMSSM) 25-30. Dit model wordt gekozen om het instellen van vereenvoudigde modellen die zelfstandig experimenten gepubliceerde grenzen vergelijken. De procedure is voldoende algemeen uit te breiden tot alle nieuwe physics-model (NPM) te zijn. Aangezien dit de eerste poging om "sluiten van de cirkel" en grenzen stellen aan SUSY gebruik van vereenvoudigde modellen, een aantal aannames over de toepasbaarheid van beperkingen op bepaalde vereenvoudigde modellen worden onderzocht, wat resulteert in recepten voor het instellen van conservatieve en agressieve beperkingen op theorieën die hebben niet onderzocht door de LHC-experimenten.

Voor het instellen van een limiet in een NPM, worden drie afzonderlijke operaties nodig. Ten eerste moet de NPM worden ontleed in zijn samenstellende delen scheiden van de verschillende producentenctie modes en verval modi voor alle nieuwe deeltjes in het model. Ten tweede moet een set van vereenvoudigde modellen worden gekozen om de kinematica en relevante gebeurtenis topologieën in de NPM recreëren. Ten derde moet de beperkingen mogelijk op deze vereenvoudigde modellen worden gecombineerd om grenzen aan de NPM produceren. Deze drie worden beschreven in het protocol. Enkele aanvullende benaderingen zijn ook voorzien dat de toepasselijkheid van de reeds beschikbare vereenvoudigde modellen kunnen uitbreiden naar een breder scala van het evenement topologieën.

Een complete NPM gaat meestal veel productie en veel andere eventuele latere verval. De deconstructie van nieuwe fysica modellen in hun componenten en de toepassing van vereenvoudigde model grenzen aan die onderdelen maakt de bouw van een uitsluiting te beperken direct. Voor elk signaal regio, kan de meest conservatieve limiet worden ingesteld met de productie fractie P (a, b) (waarbij a, b vertegenwoordigt het vereenvoudigd model spaArtikel productiewijze) gebeurtenissen gelijk een vereenvoudigd model i en de vertakking fractie van de geproduceerde sparticles rotten op de beschreven wijze de vereenvoudigde model †, BR a → i x BR b → i. Het verwachte aantal gebeurtenissen in een bepaalde signaalgebied van deze eenvoudige topologieën kan dan worden geschreven als

Vergelijking 1
waarbij de som is meer dan vereenvoudigde modellen, σ tot de totale doorsnede van de NPM punt, L int is de geïntegreerde lichtkracht gebruikt bij het ​​zoeken, en AE a, b → i is de acceptatie tijden efficiëntie voor het vereenvoudigde model gebeurtenissen in de signaalgebied overwogen. Dit aantal kan worden vergeleken met de verwachte betrouwbaarheidsniveau van 95% bovengrens aan het aantal nieuwe fysica gebeurtenissen to selecteert de optimale zoekgebied. Het model kan dan worden uitgesloten als N groter is dan de waargenomen aantal nieuwe fysica gebeurtenissen uitgesloten bij het ​​betrouwbaarheidsniveau van 95%. Uitsluitingen in niet-overlappende gebieden kunnen worden gecombineerd indien informatie over de correlaties van hun onzekerheden is beschikbaar. Als deze informatie niet beschikbaar is, kan het beste signaal regio of analyse die de beste verwachte limiet biedt worden gebruikt om te proberen om het model uit te sluiten.

Als concrete grenzen met deze werkwijze te construeren, moet de Aε diverse vereenvoudigde modellen worden door de LHC experimenten. Zowel CMS en ATLAS zijn figuren met de Aε gepubliceerd voor verschillende modellen, en een paar van de cijfers zijn beschikbaar in de HepData databank 31. Om de waarde van het publiceren van al deze tabellen tonen, vinden wij het belangrijk om concrete grenzen die vergelijkbaar zijn met de reeds gepubliceerde bieden. Daarom gebruiken wij (en describe in het protocol als een optionele stap) een snelle detector simulatie om het effect van de ATLAS en CMS detector emuleren. De Aε afgeleid van de Pretty Good Simulation (PGS) 32 wordt vergeleken met die gepubliceerd door ATLAS in een vereenvoudigd model rooster in figuur 1. Deze resultaten voldoende dicht bij elkaar liggen (binnen ongeveer 25%) dat niet te wachten totdat alle resultaten publiek, Aε resultaten voor de overige roosters zijn verkregen door PGS en direct in de rest van dit document. Aangezien het aantal openbare vereenvoudigd model Aε resultaten groeit, moet de behoefte aan dergelijke benaderingen aanzienlijk worden verminderd.

Twee conservatieve veronderstellingen kan de opneming van een groter aantal productie en verval modi de grens. De eerste is dat voor bijbehorende productie de experimentele Aε minstens even hoog zijn als de Aε ten kwade van de twee productie-modi. Voorinclusive zoekopdrachten, dit is over het algemeen een goede aanname. Het minimaal verwachte aantal gebeurtenissen zouden dan

Vergelijking 2
waarbij de eerste som loopt over alle productiewijzen en alleen wanneer a en b zijn precies deze deeltjes uit de vereenvoudigd model zijn in vergelijking 1. Op dezelfde manier kan de Aε voor verval met verschillende poten worden aangenomen ten minste even hoog zijn als de Aε te zijn voor het slechtste van de twee benen. Dat is,

Vergelijking 3
waar diagrammen met verschillende verval aan weerszijden zijn inmiddels opgenomen.

Twee andere aannames zou de instelling van str toestaanicter grenzen. Men kan aannemen dat de experimentele Aε alle productiewijzen in theorie gelijk aan de gemiddelde Aε voor de productiewijzen onder vereenvoudigde modellen. In dat geval kan het verwachte aantal gebeurtenissen plaats worden geschreven als

Vergelijking 4
waar de bedragen zijn beide meer dan alleen de productie-modi die onder vereenvoudigde modellen. Men zou verder aannemen dat de Aε alle verval modi in theorie gelijk aan de gemiddelde Aε voor die gebeurtenissen die onder de vereenvoudigde model topologieën. Toen het verwachte aantal gebeurtenissen kunnen worden geschreven als:

Vergelijking 5
waar again de aanloop alleen over de vereenvoudigde modellen bedragen. Het is duidelijk dat de meest agressieve mSUGRA limiet uit hoofde van deze aanname, en een limiet instellen op deze manier risico's beweren uitsluiting voor regio's die niet, in feite, worden bij de betrouwbaarheid van 95% door een dedicated search uitgesloten. Hoewel de nauwkeurigheid van deze twee benaderingen verdachte zou kunnen worden, als de inclusieve evenement kinematica van de vereenvoudigde modellen zijn gunstig in vergelijking tot een complete SUSY parameter ruimte punt, ze mogen niet onredelijk zijn.

† Sommige vereenvoudigde modellen nu gebruikt bij de LHC onder andere bijbehorende productie. Hoewel hier niet expliciet besproken, kunnen de vergelijkingen triviaal worden uitgebreid om voor dit geval.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Model Deconstruction

  1. Genereer proton-proton botsing gebeurtenissen die een vliegtuig in de parameter ruimte van het NPM. Elke gebeurtenis generator configuratie die een parton douche en hadronization model omvat kan worden gebruikt. Bij mSUGRA bijvoorbeeld, worden de massaspectra opgewekt met Isasugra 33 en de vertakking fracties en verval breedtes worden berekend met MSSMCalc 34. Voor het geval generatie zelf, wordt MadGraph 5 1.3.9 34 met CTEQ 6L1 parton dichtheidsfunctie 35 gebruikt matrix-element gebeurtenissen genereren, aangezien bevat extra straling in de matrix element dat belangrijk voor kleine massa's splitsen zijn. Om keuzen van leading-order generatoren mSUGRA de LHC-experimenten 'na te bootsen, is de extra straling in de MadGraph matrix element uitgeschakeld bij het genereren mSUGRA evenementen. Pythia 6,425 36 wordt dan gebruikt voor SUSY deeltje (sparticle) verval, parton douchen,en hadronization. Uitgebreide documentatie voor een van deze programma's is beschikbaar op het web.
  2. Om een ​​LHC detector na te bootsen, passeren de gebeurtenissen via PGS met LHC-detector parameter kaart. De ATLAS en CMS-detector kaarten meegeleverd met MadGraph 5 34 presteren goed genoeg voor zoeken bereik analyse. Indien beschikbaar, parameterizaties van de identificatie en de prestaties van de experimenten 'openbaar gemaakt met een aantal analyses kan worden gebruikt. Idealiter zal de experimenten volledige kaarten van aanvaarding en efficiëntie voor een aantal vereenvoudigd model roosters, waarbij deze direct kunnen worden gebruikt en deze stap overbodig.
  3. Om de resultaten snel te analyseren, een tussenproduct lichtgewicht gegevensformaat gewenst. Extraheren van de jets, stabiele leptonen, ontbreekt transversale energie, en eventuele andere noodzakelijke laatste state objecten uit de PGS-uitgang (bijv. met ExRootAnalysis 34) in een handig formaat wordt aanbevolen.
  4. Om to classificeren de resultaten correleren de PGS gebeurtenis de met de stukken van de generator gebeurtenisverslag noodzakelijk de sparticle productie en verval modi voor elke gebeurtenis classificeren. Houd alle deeltjes massa, productiemechanismen en vervalreeksen en hun tellingen om te kunnen hun overeenkomstige vertakking fractie berekenen.
  5. Bereken de beste beschikbare productie doorsnede berekeningen voor het model van belang. In het geval van mSUGRA, next-to-order leidend doorsneden voor elk punt kan worden berekend met behulp van Prospino 2.1 37 met NLL-Fast 38 met behulp CTEQ 6.6 NLO PDF's.

2. Model Wederopbouw

  1. Op basis van de verdeling van het model deconstructie, kiest u een woordenboek van vereenvoudigde modellen om ten minste 50% van de open productie en modes van verval van de NPM te dekken. Vanwege de snel dalende dwarsdoorsnede van de meeste BSM modellen met massa, een factor twee in acceptatie typitisch vertegenwoordigt slechts 20-50 GeV in de limiet, waardoor dit voldoende dicht te zijn binnen de experimentele en theoretische onzekerheden. Meest directe verval en een stap verval modellen, met inbegrip off-shell/three-body verval, hebben door de LHC-experimenten beschouwd. CMS heeft een aantal vereenvoudigd model uitsluiting resulteert in een document 21 verzameld. Zowel ATLAS en CMS hebben ook beschouwd als een aantal zware-smaak vereenvoudigde modellen. De volledige lijst van de modellen is niet openbaar wordt gemaakt op een enkele plaats. Echter, de resultaten zijn verkrijgbaar bij openbare webpagina's van de twee experimenten '39, 40. Dit zijn de vereenvoudigde modellen die worden geselecteerd uit voor reconstructie van het NPM.
  2. Om de kwaliteit van het vereenvoudigde model dekking testen, de kinematica van enkele representatieve punten NPM vergelijken met die welke uit de vereenvoudigde modellen gebruikt om het punt te reproduceren. Voor een gegeven NPM punt, bouwen de relevante vereenvoudigde modellen met dejuiste massa.
  3. Wijs een gewicht aan elk model type dat de productie fractie vertegenwoordigd door dat vereenvoudigd model maal de vertakking fractie voor het verval vertegenwoordigd door dat model omvat.
  4. Voor bijbehorende productie, als enige paar-productie vereenvoudigde modellen worden beschouwd, verdeel het gewicht tussen de twee relevante vereenvoudigde modellen.
  5. Het wordt aanbevolen om een ​​set van fysiek gemotiveerd vereenvoudigingen van toepassing op de NPM evenement topologieën om groep soortgelijke productie-en verval-modi.
  6. Normaliseren van de som van de gewichten voor de vereenvoudigde modellen eenheid.
  7. Bereken de kinematische distributies voor de representatieve NPM punten met behulp van het evenement generatie procedure in het vorige protocol beschreven.
  8. Indien de kinematica van het NPM punt na typische signaal-selecties meer verschillen dan σ (30%) van die van de gecombineerde vereenvoudigde modellen bevatten extra vereenvoudigde modellen om de productie en verval verbeterenfase-ruimte dekking. Verschillen op het 15% niveau te verwaarlozen invloed op de eindresultaten uitsluiting als gevolg van de snel dalende doorsneden in de meeste nieuwe fysica modellen.

3. Beperk Bouw

  1. Het verkrijgen van de beschikbare en relevante Aε en 95% betrouwbaarheid bovengrens aan het aantal nieuwe fysica evenementen voor de vereenvoudigde modellen die worden overwogen in elke experimentele signaal regio die kunnen worden toegepast.
  2. Solliciteer Vergelijkingen 1 en 3-5 om de NPM van de belangstelling op elke parameter ruimte punt om te bepalen onder welke (eventuele) aannames het punt is uitgesloten.
  3. Gebruik de door het signaal regio ingestelde limiet met de beste verwachte prestaties, tenzij correlaties tussen achtergrond onzekerheden het signaal regio's zijn beschikbaar, zodat de regio's goed kan worden gecombineerd ‡.
  4. Met de vergelijking van kinematica uitgevoerd met het vorige protocol en de verspreiding van uitsluiting contouren, bepalen de raNSE, waarin de experimentele uitsluiting wil liggen.

‡ Momenteel dergelijke correlaties zijn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Hebben toegepast het model deconstructie stap naar een punt in de parameter ruimte van mSUGRA, een uitsplitsing van de output kan het best worden gevisualiseerd door het tellen van de verschillende productie-en verval modi voor elke gegenereerde evenement en het uitzetten van de desbetreffende productie tarieven en vertakking fracties volgens de relatieve frequenties. De vertakking fracties van de verschillende productie-en verval modi voor representatieve mSUGRA punten zijn geïllustreerd in figuren 2 en 3. Een groot aantal vergelijkbare cijfers voor andere punten in SUSY parameter ruimte zijn online beschikbaar 41.

Voor het geval van mSUGRA, enkele trends in de faseruimte aanwezig zijn, zoals in figuur 4. Squark productie domineert in de lage-m 0, high-m 1/2 regio en gluino productie domineert in de high-m 0, low-m 1/2 regio. In de regiowaar squark productie domineert, directe squark vervalt tot de lichtste supersymmetrische deeltjes (LSP) worden begunstigd. In gebieden waar gluino productie overheerst echter direct verval van de gluino de LSP omvatten niet meer dan ~ 30% van het totale verval faseruimte. In het tussenliggende gebied, directe productie chargino maakt een niet te verwaarlozen bijdrage, vooral tegen hoge m 0 en hoge m 1/2 waar de squarks en gluinos zijn allemaal zwaar. Dit mSUGRA vliegtuig, dus kan worden gedekt door vijf vereenvoudigde model (SM) scenario's:

  • Pair-productie van squarks, die direct vervallen op het LSP via de emissie van een quark (SM 1);
  • Pair-productie van gluinos, die direct vervallen op het LSP via de emissie van een twee quarks (SM 2);
  • Pair-productie van squarks, die verval in een stap op het LSP. De squark vervalt tot een chargino via de emissie van een quark, en de chargino vervalt op het LSP via emissie van een W-Boso n (SM 3);
  • Pair-productie van gluinos, die verval in een stap op het LSP. De gluino vervalt tot een chargino via de emissie van twee quarks, en de chargino vervalt op het LSP via emissie van een W-boson (SM 4), en
  • Pair-productie van charginos, die direct vervallen op het LSP via de emissie van een W-boson (SM 5).

De fractie van mSUGRA gebeurtenissen ingedeeld in een van deze vijf vereenvoudigde modellen is getoond in figuur 5. Voor mSUGRA voorbeeld zijn de volgende aanvullende vereenvoudiging benaderingen gemaakt: Bij de squark vervalt de gluino, wordt de gluino verval geteld indeling geval topologie en het verval van de squark de gluino wordt geteld als een extra jet bij ("plus jets"), alsof het identiek initiële of uiteindelijke toestand straling. Wanneer de gluino vergaat door een squarkiles/ftp_upload/50419/50419gtilde.jpg "/> → q qtilde , qtilde → q lijkt echter de eindtoestand van het verval nog steeds alsof de gluino twee jets had geproduceerd en direct vervallen, met weglating van de squark-stap, redden wat (kleine) verschillen in de kinematica. Voor deze gevallen zou vervalcyclus geclassificeerd alsof de gluino vervallen via de emissie van een paar quarks zonder tussenliggende squark ( gtilde → qq ) Dan zij als de squark verloop met eenaanvullende initiële-of definitieve state straling-achtige jet ( qtilde → q plus jet (s)). Geassocieerd squark-gluino productie wordt gelijkmatig verdeeld over de squark en gluino vereenvoudigde modellen. Met deze benaderingen is het mogelijk om een ​​groot deel van SUSY gebeurtenissen als een van de vijf vereenvoudigde onderzochte modellen classificeren. Dit is de eerste stap op weg naar het model wederopbouw.

De gebeurtenis kinematica twee mSUGRA parameterruimte punten, samen met een combinatie van vereenvoudigde modellen gebruikt om ze nabootsen, zijn getoond in Figuren 6, 7 en 8. Deze twee punten worden ontleed volgens de hierboven beschreven werkwijze, en de vijf geselecteerde vereenvoudigde modellen geconstrueerd en gecombineerd volgens de massaspectra, productiesnelheden envertakking fracties van de punten. De vereenvoudigde model evenementen werden gegenereerd en geanalyseerd op een manier die identiek is aan de mSUGRA gebeurtenissen. Hier zijn vier van de belangrijkste kinematische variabelen die in LHC supersymmetrie zoekopdrachten worden getoond: toonaangevende jet transversale impuls (p T), lepton p T, ontbreekt transversale energie en effectieve massa, gedefinieerd als de scalaire som van de transversale impuls van de vier leidende jets en de lepton. Twee functies zijn zichtbaar in de effectieve massa, waardoor straal en ontbrekende transversale energiedistributies, overeenkomend hoge productie en weakino productie. In deze inclusieve distributies, wat verschillen zijn duidelijk zichtbaar. De lage-p T lepton staart, bijvoorbeeld, is overwegend van tau verval die niet vallen onder een van de vereenvoudigde modellen. De lage ontbrekende transversale energie, lage effectieve massa regio is voor een deel van LSP-X geassocieerd productie, die niet wordt gemodelleerd. De meeste kinematische functies worden beschrevengoed genoeg door PGS in het kader van een zoekopdracht in een parameter ruimte met snel dalende achtergrond. Tau fake tarieven blijven een belangrijke uitdaging om een ​​parametrering van tau analyseresultaten, en volledig aanpakken van dat probleem valt buiten het bestek van dit protocol.

Echter, de bezuinigingen van de meeste signaal regio's gebruikt bij de LHC zijn zodanig dat eenvoudig verval topologieën worden geselecteerd via de meer complexe, vaak zachter of hoger veelheid evenementen. Zo signaalgebied selectie heeft de neiging om het verbeteren van de beschrijving van het evenement kinematica door vereenvoudigde modellen. Vergelijking een lepton gebied vergelijkbaar is met die van een recent ATLAS SUSY verfijnen 16 zijn getoond in figuren 7 en 8. De overeenkomst, zowel in vorm en staarten is aanzienlijk beter. Het bewegingssysteem voor de vereenvoudigde modellen te vergelijken en om de inclusieve SUSY model kinematica, wat suggereert dat de efficiëntie en acceptatie voor een complete SUSY punt goed kan worden beschreveneen beperkte combinatie vereenvoudigde modellen. Natuurlijk, de kinematica van alleen die gebeurtenissen SUSY gevonden volgens topologieën beschreven door de vereenvoudigde modellen zijn identiek aan hun tegenhangers vereenvoudigd model. Dit dient als een bevestiging dat deze gebeurtenissen niet onder deze vereenvoudigde modellen ofwel een kleine fractie van de totale gebeurtenissen of kinematisch vergelijkbaar zijn met die die worden gedekt. Dit model reconstructiestap bij mSUGRA voltooid.

De procedure op grond van artikel 3 grenswaarde-instelling wordt vervolgens toegepast op de mSUGRA vliegtuig met tan β = 10, A 0 = 0 en μ> 0, met behulp signaal regio's van de ATLAS nul-lepton zoeken 16. Vijf signaal regio's zijn opgenomen in deze zoektocht, en het signaal regio met de beste verwachte limiet wordt gebruikt voor elk punt. Een punt geacht uitgesloten te zijn het aantal verwachte SUSY gebeurtenissen in de optimale signaalgebied de waargenomen 95% overschrijdtbovengrens voor nieuwe fysica gebeurtenissen in dat signaal regio. De resultaten van het vereenvoudigde model uitsluiting vergeleken met nul-leptonen uitsluiting zonder systematische fouten van het signaal, zoals eerder besproken in figuur 9. Vier vereenvoudigd model uitsluiting krommen getoond, corresponderend met Vergelijkingen 1 en 3-5. In vergelijking met het nul-lepton uitsluitingslimiet, de meest conservatieve vereenvoudigde model-gebaseerde aanpak doet nogal slecht in de regio gedomineerd door qtildegtilde en weakino bijbehorende productie, het missen van de juiste termijn die tot ~ 100 GeV. Dit is ook gedeeltelijk te wijten aan de relatief ingewikkelde verval van de gluino (cf. het grote aantal open modi in figuur 3). De dekking is veel dichter bij de werkelijke grensvoor de regio gedomineerd door qtildeqtilde en gtildegtilde productie, waarbij de vereenvoudigde model afgeleide limiet binnen 40 GeV van de werkelijke grens.

Dit recept weglaat de behandeling van theoretische onzekerheden op het signaal model. In feite, de LHC-experimenten die momenteel niet over deze onzekerheden te behandelen op een consistente manier, noch zijn alle onzekerheden inbegrepen. Geen experiment omvat bijvoorbeeld onzekerheid bij de berekening van de waargenomen massa van de GUT schaal parameters. De grenzen thten worden hier gepresenteerd, daarom mag worden verwacht dat verschillen van de gepubliceerde limieten. In figuur 10, worden de gepubliceerde ATLAS exclusiegrens in de nul-leptonen kanaal vergeleken met de hier verkregen zonder systematische onzekerheid van het signaal. De limiet zonder signaal onzekerheden is duidelijk hoger dan de gepubliceerde limiet. Voor de rest van het papier, zal de limiet zonder systematische onzekerheden op het signaal worden opgevat als de "juiste antwoord" te zijn geschied op basis van vereenvoudigde modellen. De theoretische onzekerheid kan worden toegevoegd aan zowel dezelfde manier zal invloed hebben op zowel maxima bij ongeveer dezelfde manier.

Om een beeld van de resultaten haalbaar met de huidige middelen zo goed mogelijk worden vereenvoudigd model punten gegenereerd op een rooster die ruwweg overeenkomt met dat al in gebruik is door het ATLAS-experiment 17. Tussen deze punten wordt Aε geïnterpoleerd in de tweedimensionale msquark / m gluino = m LSP raster. Omdat SM 3 en SM 4 zijn drie dimensionale rasters, en omdat het onwaarschijnlijk is dat experimenten volledig driedimensionale Aε zal voorzien, worden drie waarden van intermediaire chargino massa gebruikt: m chargino = x × (m squark / gluino - m LSP) + m LSP, x = 0.25, 0.5 en 0.75. Interpoleren tussen deze drie tweedimensionale vlakken wordt een eenvoudige kwadratische fit gebruikt. Bij het ​​naderen van de grenzen van m LSP = m chargino en m squark / gluino, het verval modi natuurlijk uitschakelen, waardoor ingewikkelder interpolatie overbodig.

Uit vergelijking van de uitsluiting bochten, kan men inderdaad zien dat een conservatieve uitsluiting limiet ingesteld met Eq. 1 volgt de limiet "juiste" uitsluiting heel goed in gebieden van fase ruimte die goed onder vereenvoudigde modusls (zie figuur 5). In regio's die niet zo goed zijn gedekt, Eq. 3 geeft nog steeds een bescheiden niveau. De agressieve limiet door Eq ingesteld. 5 overschat uitsluiting met maximaal 40 GeV de-squark gedomineerde regio tot 100 GeV in de gluino gedomineerde regio faseruimte, omdat de aanname dat de lange gluino vervalreeksen zijn goed gemodelleerd door de kortere ketens van de vereenvoudigde modellen ongeldig is op een bepaald niveau. In termen van parameter-ruimte dekking, de conservatieve grenzen onder-dekking met 20%, de middelste twee limieten onder-dekking met 10%, en de agressieve limiet over-covers met 10%. Natuurlijk, het uitbreiden van het woordenboek van vereenvoudigde modellen zou de conservatieve limiet te verbeteren en de agressieve limiet correcter Aε zijn opgenomen voor meer productie en verval modi. Maar zelfs met dit kleine aantal vereenvoudigde modellen, de conservatieve gestelde grenzen zijn dicht bij de "juiste" resultaat.

Voor demonstratieve doeleinden zijn grenzen ook geplaatst op een mSUGRA signaalgebied bij hoge tan β. De grenzen worden in figuur 11. Op basis van de overeenkomst waargenomen in figuur 10, moet de experimentele uitsluiting een beetje buiten de door Eq ingesteld uitsluiting liggen. 3.

Bij het extrapoleren naar meer exotische theorieën, of zelfs in de uitbreiding van de toepasselijkheid van een kleine lijst van vereenvoudigde modellen theorieën Susy, kunnen verschillende benaderingen worden gemaakt:

  1. Dat zware-smaak jets zijn identiek aan lichte smaak jets voor zoekopdrachten waarbij geen smaak tagging;
  2. Dat fotonen zijn identiek aan jets voor zoekopdrachten die niet fotonen niet identificeren;
  3. Dat meer dan de helft van de tijd, chargino (neutralino) vervalt op het LSP via emissie van een W-boson (Z-boson) een handtekening functioneel identiek aan gluino vervalt via emissie van twee quarks.
t "> Zulke benaderingen zijn fysiek goed gemotiveerd en moet resulteren in beperkingen die nog in overleg met de volledige experimentele resultaten.

Figuur 1
Figuur 1. Links, het publiek Aε voor de ATLAS drie jet "los" one-lepton signaal gebied 17. Juist, hetzelfde weergegeven in de MadGraph + Pythia + PGS setup hier gebruikt. Sommige verschillen zijn te verwachten van de verschillende producenten en hogere statistieken hier gebruikt, maar de twee volgen elkaar op de voet. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

19/50419fig2highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50419/50419fig2.jpg "/>
Figuur 2. Vertakking verhoudingen voor SUSY productie mechanismen en verval modi in het mSUGRA parameter ruimte. De bovenste rij (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 600 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, en μ> 0 ) is typisch voor de regio in parameter ruimte die wordt gedomineerd door squark productie, en de onderste rij (m 0 = 1.000 GeV, m 1/2 = 350 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, en μ > 0) is typisch voor de regio in parameter ruimte liggen enigszins tussen de twee uitersten. Voor de duidelijkheid worden de productie en het verval modi uitsluitend getoond als hun vertakking fractie groter is dan 0,5%. De etiketten "SM" met een aantal gegeven verval modi overeenkomt met de vereenvoudigde modellen besproken in het model reconstructie protocol.les/ftp_upload/50419/50419fig3large.jpg "target =" _blank "> Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3. Vertakken ratio voor SUSY productie mechanismen en verval modi in het mSUGRA parameter ruimte. De bovenste rij (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 500 GeV, tan (β) = 25, A 0 = 1.500 GeV, en μ> 0) is typisch voor de regio in parameter ruimte die wordt gedomineerd door squark productie, en de onderste rij (m 0 = 2.100 GeV, m 1/2 = 100 GeV, tan (β) = 45, A 0 = 500 GeV en μ> 0) is typisch voor de regio gedomineerd door gluino productie. Voor de duidelijkheid worden de productie en het verval modi uitsluitend getoond alshun vertakking fractie groter dan 0,5%. De etiketten "SM" met een aantal gegeven verval modi overeenkomt met de vereenvoudigde modellen besproken in het model reconstructie protocol. De modellen in de witte gebieden had geen gebeurtenissen beschreven door vereenvoudigde modellen, met beperkte Monte Carlo statistieken. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 4
Figuur 4. Variatie van de vertakking verhoudingen, in procenten, van de belangrijkste SUSY productie en verval modi in het mSUGRA parameter ruimte met tan (β) = 10, A 0 en μ> 0. De rechter bovenhoek, waar de sterke sparticles zijn zwaar, bevat een belangrijke contr ibution van weakino productie. De modellen in de witte gebieden had geen gebeurtenissen beschreven door vereenvoudigde modellen, met beperkte Monte Carlo statistieken. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 5
Figuur 5. Het percentage mSUGRA gebeurtenissen geclassificeerd als behorend tot een van de vijf vereenvoudigde modellen die in dit document, voor low-tan (β) (links) en high-tan (β) (rechts). Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

419fig6highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50419/50419fig6.jpg "/>
Figuur 6. Kinematica van een squark-productie-gedomineerde mSUGRA punt (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 600 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, en μ> 0) en een set vijf vereenvoudigde modellen gebouwd met behulp van dezelfde massa spectrum. klok mee van linksboven, toonaangevende jet p T, wat leidt muon p T, effectieve massa, en ontbrekende transversale energie. Geen signaal selectie is toegepast. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 7
Figuur 7. Kinematica van een squark-productie gedomineerde mSUGRA punt (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 600 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, en μ> 0) en een set van vijf vereenvoudigde modellen gebouwd met behulp van dezelfde massa spectrum. klok mee van linksboven, toonaangevende jet p T, wat leidt muon p T, effectieve massa, en ontbrekende transversale energie. Een signaal selectie vergelijkbaar met de een-lepton vier-jet "strak" ATLAS SUSY zoekopdracht is toegepast. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 8
Figuur 8. Kinematica van een complex mSUGRA punt (m 0 = 1.000 GeV, m 1/2 =350 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, en μ> 0) en een set van vijf vereenvoudigde modellen gebouwd met behulp van dezelfde massa spectrum. Klok mee van linksboven, toonaangevende jet p T, wat leidt muon p T , effectieve massa, en ontbrekende transversale energie. Een signaal selectie vergelijkbaar met de een-lepton vier-jet "strak" ATLAS SUSY zoekopdracht is toegepast. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 9
Figuur 9. Gecombineerde exclusiegrens zero-lepton voor mSUGRA modellen met tan β = 10, A 0 = 0 en μ> 0 (10a) in vergelijking met de limiet uitsluitingverkregen met behulp van vereenvoudigde modellen (10b). Het signaal regio, om de beste verwachte limiet wordt genomen voor een bepaald punt in de parameter ruimte. De verwachte betrouwbaarheidsniveau van 95% limiet wordt weergegeven als een gestippelde blauwe lijn, en de waargenomen limiet wordt weergegeven als een rode lijn. Resultaten van zoekopdrachten worden ook getoond voor vergelijkingsdoeleinden 42-48, hoewel sommige van deze beperkingen werden geproduceerd met iets andere parameter keuzes. Het vereenvoudigde model limieten worden gegenereerd met behulp van vier verschillende sets aannames, overeenkomend met de maximum vergelijkingen in de hoofdtekst. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 10
Figuur 10. Gecombineerd exclusiegrens zero-lepton voorMSUGRA modellen met tan β = 10, A 0 = 0 en μ> 0 16 (links) in vergelijking met de uitsluitingsgrens verkregen middels PGS en zonder systematische onzekerheid van het signaal. Het signaal regio, om de beste verwachte bovengrens moet worden voor een bepaald moment in de parameter ruimte. De verwachte betrouwbaarheidsniveau van 95% limiet wordt weergegeven als een gestippelde blauwe lijn, en de waargenomen limiet wordt weergegeven als een rode lijn. Resultaten van eerdere zoekopdrachten worden ook weergegeven voor vergelijkingsdoeleinden 42-48, hoewel sommige van deze beperkingen werden geproduceerd met behulp van iets andere parameter keuzes. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 11
Figuur 11. Uitsluiting limieten voor mSUGRA modellen met tan β = 40, A 0 = -500 GeV en μ> 0 (links) en tan β = 20, A 0 = 500 GeV en μ> 0 (rechts) verkregen met behulp van vereenvoudigde modellen . Gecombineerde limieten worden verkregen door het signaalgebied dat de beste verwachte limiet voor elk punt in parameterruimte genereert. Het vereenvoudigde model limieten worden gegenereerd met behulp van vier verschillende sets aannames, overeenkomend met de maximum vergelijkingen in de hoofdtekst. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De toepassing van vereenvoudigde model grenzen aan een uitsluiting contour te produceren in een compleet nieuwe fysica model is aangetoond. Ondanks de schijnbare complexiteit van mSUGRA parameterruimte punten, de kinematica worden goed gereproduceerd door een combinatie van slechts een beperkt aantal vereenvoudigde modellen. De kinematische overeenkomst wordt verder verbeterd bij het ​​zoeken binnen een bepaald signaal regio, omdat het tot nu toe uitgevoerd bij de LHC zoekopdrachten vaak vereenvoudigd model-achtig evenement topologieën met een (relatief) klein aantal high-p T objecten bevoordelen.

De uitsluiting contouren afgeleid van vereenvoudigde modellen gunstig af bij die reeds gepubliceerd met specifieke zoekopdrachten. Met deze procedure, is het mogelijk om trivially herschikking resultaten uitsluiting in meer exotische SUSY theorieën, of zelfs in nonSUSY theorieën met handtekeningen onder vereenvoudigde modellen. Deze werkwijze kan bovendien een eenvoudige route voor het behoud van de data eennd toepassing van de huidige zoekopdrachten naar toekomstige theorieën.

In de praktijk betekent deze aanpak een belangrijke bron sparen voor de LHC-experimenten en een groot voordeel voor LHC theoretici en phenomenologists. Door herschikking van theorieën op basis van informatie beschikbaar uit de matrix element en verval waarschijnlijkheden, mag geen informatica-intensieve simulatie van het model worden gedaan. In plaats daarvan, de experimenten vrij ronduit leveren resultaten uitsluiting in een grote verscheidenheid aan theoretische modellen omvatten - maar niet volledig onder - eenvoudige eindtoestand handtekeningen. Evenzo, theoretici moeten niet wachten tot de LHC-experimenten om grenzen te produceren in hun favoriete model. Hoewel de vereenvoudigde modellen kunnen niet alle productie en verval vormen van een model, met een relatief klein aantal vereenvoudigde modellen is het mogelijk een tamelijk breed scala aan mogelijkheden omvatten. De aldus verworven uitsluitingen niet nauwkeurig de resultaten van een volledige ervaring overlappengeestelijke zoektocht. In de huidige LHC zoeken tijdperk echter, geven ze een kritische en verrassend nauwkeurige schatting van hoeveel theorie ruimte is al uitgesloten door de reeds uitgevoerde zoekopdrachten, en hoeveel kan nog steeds open voor ontdekking.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs zijn beiden lid van de ATLAS Collaboration. Echter, geen interne middelen, geld of anderszins ATLAS, werden gebruikt in de voltooiing van deze werkzaamheden.

Acknowledgments

De auteurs willen graag naar Jay Wacker bedanken voor belangrijke bespreking van vereenvoudigde modellen en mogelijke valkuilen. Veel dank ook aan Max Baak en Till Eifert voor opbouwende kritiek en aanmoediging wanneer het nodig was. Dankzij de CERN Summer Student Program voor het maken van deze samenwerking mogelijk te maken.

References

  1. Miyazawa, H. Baryon Number Changing Currents. Prog. Theor. Phys. 36, 1266-1276 (1966).
  2. Ramond, P. Dual Theory for Free Fermions. Phys. Rev. D. 3, 2415-2418 (1971).
  3. Gol'fand, Y. A., Likhtman, E. P. Extension of the Algebra of Poincare Group Generators and Violation of P invariance. JETP Lett. 13, 323-326 (1971).
  4. Neveu, A., Schwarz, J. H. Factorizable dual model of pions. Nucl. Phys. B. 31, 86-112 (1971).
  5. Gervais, J. L., Sakita, B. Field theory interpretation of supergauges in dual models. Nucl. Phys. B. 34, 632-639 (1971).
  6. Neveu, A., Schwarz, J. H. Quark Model of Dual Pions. Phys. Rev. D. 4, 1109-1111 (1971).
  7. Volkov, D. V., Akulov, V. P. Is the neutrino a goldstone particle. Phys. Lett. B. 46, 109-110 (1973).
  8. Wess, J., Zumino, B. A lagrangian model invariant under supergauge transformations. Phys. Lett. B. 49, 52-54 (1974).
  9. Wess, J., Zumino, B. Supergauge transformations in four dimensions. Nucl. Phys. B. 70, 39-50 (1974).
  10. Fayet, P. Supersymmetry and Weak, Electromagnetic and Strong Interactions. Phys. Lett. B. 64, 159-162 (1976).
  11. Fayet, P. Spontaneously Broken Supersymmetric Theories of Weak, Electromagnetic and Strong Interactions. Phys. Lett. B. 69, 489-494 (1977).
  12. Farrar, G. R., Fayet, P. Phenomenology of the Production, Decay, and Detection of New Hadronic States Associated with Supersymmetry. Phys. Lett. B. 76, 575-579 (1978).
  13. Fayet, P. Relations Between the Masses of the Superpartners of Leptons and Quarks, the Goldstino Couplings and the Neutral Currents. Phys. Lett. B. 84, 416-420 (1979).
  14. Dimopoulos, S., Georgi, H. Softly Broken Supersymmetry and SU(5. Nucl. Phys. B. 193, 150-162 (1981).
  15. The ATLAS Collaboration. Search for squarks and gluinos with the ATLAS detector in final states with jets and missing transverse momentum using 4.7 fb-1 of √s = 7TeV proton-proton collisions. Phys. Rev. D. , Forthcoming Forthcoming.
  16. The ATLAS Collaboration. Search for squarks and gluinos using final states with jets and missing transverse momentum with the ATLAS detector in √s = 7TeV proton-proton collisions. Phys. Lett. B. 710, 67-85 (2012).
  17. The ATLAS Collaboration. Further search for supersymmetry at √s=7 TeV in final states with jets, missing transverse momentum and isolated leptons with the ATLAS detector. Phys. Rev. D. , Forthcoming Forthcoming.
  18. The CMS Collaboration. Search for new physics in the multijet and missing transverse momentum final state in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV. Phys. Rev. Lett. 109, 171803 (2012).
  19. The CMS Collaboration. Search for supersymmetry in pp collisions at √s=7 TeV in events with a single lepton, jets, and missing transverse momentum. J. High Energy Phys. 08, 165 (2011).
  20. The CMS Collaboration. Search for supersymmetry in events with b-quark jets and missing transverse energy in pp collisions at 7 TeV. Phys. Rev. D. 86, 072010 (2012).
  21. The CMS Collaboration. 2012 Report No.: CMS-PAS-SUS-11-016. Interpretation of Searches for Supersymmetry. , CERN. Geneva (Switzerland). (2012).
  22. The CMS Collaboration. Search for new physics in events with opposite-sign leptons, jets, and missing transverse energy in pp collisions at sqrt(s = 7 TeV. Phys. Lett. B. 718, 815 (2012).
  23. Alves, D., et al. Where the Sidewalk Ends: Jets and Missing Energy Search Strategies for the 7 TeV LHC. JHEP. 1110, 012 (2011).
  24. Alves, D., et al. Simplified Models for LHC New Physics Searches. J. Phys. G.: Nucl. Part. Phys. 39, 105005 (2012).
  25. Chamseddine, A. H., et al. Locally Supersymmetric Grand Unification. Phys. Rev. Lett. 49, 970-974 (1982).
  26. Barbieri, R., et al. Gauge models with spontaneously broken local supersymmetry. Phys. Lett. B. 119, 343-347 Forthcoming.
  27. Ibanez, L. E. Locally supersymmetric SU(5) grand unification. Phys. Lett. B. 118, 73 (1982).
  28. Hall, L. J., et al. Supergravity as the messenger of supersymmetry breaking. Phys. Rev. D. 27, 2359-2378 (1983).
  29. Ohta, N. Grand Unified Theories Based on Local Supersymmetry. PTP. 70, 542-549 (1983).
  30. Chung, D. J. H., et al. The soft supersymmetry-breaking Lagrangian: theory and applications. J. Phys. Rept. 407, 1-203 (2005).
  31. HepData search [Internet]. , Available from: http://hepdata.cedar.ac.uk (2013).
  32. PGS 4 - general info [Internet]. , Available from: http://physics.ucdavis.edu/~conway/research/software/pgs/pgs4-general.htm (2013).
  33. [hep-ph/0312045] ISAJET 7.69: A Monte Carlo Event Generator for pp, $\bar pp$, and $e^=e^-$ Reactions [Internet]. , Available from: http://arxiv.org/abs/hep-ph/0312045 (2013).
  34. Alwall, J. MadGraph 5: Going Beyond. JHEP. 1106, 128 (2011).
  35. Pumplin, J. New Generation of Parton Distributions with Uncertainties from Global QCD Analysis. JHEP. 0207, 012 (2002).
  36. Sjöstrand, T., Mrenna, S., Skands, P. Pythia 6.4 Physics and Manual. JHEP. 05, 026 (2006).
  37. [hep-ph/9611232] PROSPINO: A Program for the Production of Supersymmetric Particles in Next-to-leading Order QCD [Internet]. , Available from: http://arxiv.org/abs/hep-ph/9611232 (2013).
  38. SquarksandGluinos < Kraemer < TWiki [Internet]. , Available from: http://web.physik.rwth-aachen.de//service/wiki/bin/view/Kraemer/SquarksandGluinos (2013).
  39. PhysicsResultsSUS < CMSPublic < TWiki [Internet]. , Available from: https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/PhysicsResultsSUS Forthcoming.
  40. SupersymmetryPublicResults < AtlasPublic < TWiki [Internet]. , Available from: https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/SupersymmetryPublicResults (2013).
  41. Setting limits on supersymmetry using simplified models · Christian Gütschow & Zachary Marshall [Internet]. , Available from: http://cgutscho.web.cern.ch/cgutscho/susy/ (2013).
  42. Collaboration, D. 0 Search for Squarks and Gluinos in pp̄ collisions at √s=1.8TeV. Phys. Rev. Lett. 75, 618-623 (1995).
  43. Collaboration, C. D. F. Search for Gluinos and Scalar Quarks in pp̄ collisions at √s=1.8TeV using the Missing Energy plus Multijets Signature. Phys. Rev. Lett. 88, 041801 (2002).
  44. Collaboration, C. D. F. Inclusive Search for Squark and Gluino Production in pp̄ Collisions at√s=1.96TeV. Phys. Rev. Lett. 102, 121801 (2009).
  45. Collaboration, D. 0 Search for squarks and gluinos in events with jets and missing transverse energy using 2.1fb-1 of pp̄ collision data at √s=1.96TeV. Phys. Lett. B. 660, 449-457 (2008).
  46. Collaboration, D. E. L. P. H. I. Searches for supersymmetric particles in e+e-collisions up to 208 GeV and interpretation of the results within the MSSM. Eur. Phys. J. C. 31, 421-479 (2003).
  47. Collaboration, L. 3 Search for Scalar Leptons and Scalar Quarks at LEP. Phys. Lett. B. 580, 37-49 (2004).
  48. Collaboration, A. T. L. A. S. Search for squarks and gluinos using final states with jets and missing transverse momentum with the ATLAS detector in √s=7TeV proton-proton collisions. Phys. Lett. B. 701, 186-203 (2011).

Tags

Fysica hoge energie fysica deeltjesfysica Supersymmetry LHC ATLAS CMS nieuwe fysica Limits vereenvoudigd Modellen
Grenzen stellen op Supersymmetry behulp vereenvoudigd Modellen
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

Gütschow, C., Marshall, Z.… More

Gütschow, C., Marshall, Z. Setting Limits on Supersymmetry Using Simplified Models. J. Vis. Exp. (81), e50419, doi:10.3791/50419 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter