Waiting
Login processing...

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

Engineering

Innstilling Begrensninger på Supersymmetry Bruke forenklet modeller

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

Denne artikkelen viser en protokoll for recasting eksperimentelle forenklet modell grenser til konservative og aggressive begrensninger på en vilkårlig ny fysikkmodell. Offentlig tilgjengelige LHC eksperimentelle resultater kan omarbeides på denne måten inn begrensninger på nesten alle nye fysikkmodell med en supersymmetri-aktig signatur.

Abstract

Eksperimentelle grenser for supersymmetri og lignende teorier er vanskelig å sette på grunn av den enorme tilgjengelige parameter plass og vanskelig å generalisere på grunn av kompleksiteten i enkeltpunkter. Derfor er mer fenomenologiske, forenklede modeller blitt populært for å sette eksperimentelle grenser, som de har klarere fysiske tolkninger. Bruken av disse forenklede modell grenser for å angi en reell grense på betong teori har imidlertid ikke blitt demonstrert. Dette papiret recasts forenklet modell grenser inn begrensninger på en konkret og komplett supersymmetri modell, minimal supergravity. Grenser oppnådd under ulike fysiske forutsetninger er sammenlignbare med de som produseres av rettet søk. En resept er gitt for beregning av konservative og aggressive begrensninger på flere teorier. Ved hjelp av aksept og effektivitet bord sammen med de forventede og observerte antall hendelser i forskjellige signal regioner, kan LHC eksperimentelle resultater omarbeides i denne manner inn i nesten alle teoretiske rammeverk, inkludert nonsupersymmetric teorier med supersymmetri-lignende signaturer.

Introduction

En av de mest lovende utvidelser av Standardmodellen, supersymmetri (SUSY) 1-14, er det sentrale fokus for mange søk ved LHC eksperimentene ved CERN. Dataene som samles inn i 2011 er allerede nok til å presse grensene for ny fysikk utover de av noen tidligere Collider 15-22. Etter hvert som nye data kommer og unntakene blir skjøvet enda lenger, vil det bli stadig viktigere å kommunisere tydelig til fysikk samfunnet hva regioner av den omfattende supersymmetriske parameter plass har blitt ekskludert. Gjeldende grenseverdier er vanligvis satt på begrenset to-dimensjonale fly, som ofte ikke representerer den mangfoldige tilgjengelig SUSY parameter plass og er vanskelige å forstå som begrensninger på fysiske massene eller forgrening fraksjoner. Et stort sett med forenklede modeller 23, 24 har blitt foreslått for å hjelpe i forståelsen av disse grensene, og både ATLAS og CMS har gitt eksklusjons resultater for flere av disse modellene 15-20.

Dette papiret demonstrerer anvendelsen av disse forenklede modell unntakene til en full ny fysikk modellen ved hjelp av eksempel på minimal supergravity (mSUGRA, også kjent som CMSSM) 25-30. Denne modellen er valgt for å sammenligne de grensene som er satt ved hjelp av forenklede modeller til det som er publisert uavhengig av eksperimenter. Prosedyren er tilstrekkelig generell til å være utvides til noen ny fysikk modell (NPM). Siden dette er det første forsøket på å "lukke loop" og sette grenser for SUSY bruker forenklede modeller, er en rekke forutsetninger om anvendelsen av begrensninger på bestemte forenklede modeller utforsket, noe som resulterer i oppskrifter for å sette konservative og omfatter kraftige begrensninger på teorier som har ikke blitt undersøkt av LHC eksperimentene.

For å sette en grense i et NPM, er tre separate operasjoner som kreves. Først må NPM tas ned i sine bestanddeler stykker, skiller de ulike proDette skjer moduser og decay moduser for alle nye partikler i modellen. For det andre må velges et sett av forenklede modeller for å gjenskape de kinematikk og relevante hendelses topologies i NPM. For det tredje må de tilgjengelige grenser for disse forenklede modeller kan kombineres for å produsere rammer for NPM. Disse tre fremgangsmåter er beskrevet i protokollen. Noen ytterligere tilnærmelser blir også gitt som kan utvide anvendelsen av de allerede tilgjengelige forenklede modeller til et bredere spekter av hendelses topologier.

En komplett NPM vanligvis involverer mange produksjonsmåter og mange mulige påfølgende henfall. Dekonstruksjon av nye fysikkmodeller i sine komponenter og anvendelse av forenklet modell grenser til disse komponentene tillater bygging av en utelukkelse begrense direkte. For en hvilken som helst signalområde, kan de mest konservative grensen innstilles ved hjelp av produksjonsfraksjonen P (a, b) (hvor a, b betegner den forenklede modellen spartikkel produksjonsmodus) av begivenheter som er identiske med en forenklet modell i og den forgrenede fraksjon for de produserte sparticles mot nedbrytning på den måte som er beskrevet ved den forenklede modellen †, BR en → i x BR b → i. Det forventede antall hendelser i et gitt signalområde er fjernet fra disse enkle topologier kan da skrives som

Ligning 1
der summen er over forenklede modeller, er σ tot den totale tverrsnittet for NPM punktet, er L int den integrerte lyshet brukes i søket, og AE a, b → jeg er aksept ganger effektivitet for de forenklede modellen hendelser i signal regionen blir vurdert. Dette tallet kan sammenlignes med den forventede 95% konfidensintervall øvre grense på antall nye fysikk hendelser to velge den optimale søkeregion. Modellen kan da utelates dersom N er større enn den observerte antall nye fysiske hendelser utelukket på 95% konfidensnivå. Unntakene i nonoverlapping regioner kan kombineres dersom informasjon om sammenhengene av sine usikkerheter er tilgjengelig. Hvis denne informasjonen ikke er tilgjengelig, kan den beste signal region eller analyse som gir best forventet grense brukes til å forsøke å utelukke modell.

For å konstruere betong grenser med denne fremgangsmåten, må Aε for forskjellige forenklede modeller være tilgjengelige ved LHC eksperimenter. Både CMS og ATLAS har publisert tall med Aε for flere modeller, og noen av tallene er tilgjengelig i HepData database 31. For å demonstrere verdien av forlaget alle slike tabeller, mener vi det er viktig å gi betongrammer som er sammenlignbare med de som allerede er publisert. Derfor bruker vi (og describe i protokollen som et valgfritt trinn) en fast detektor simulering for å etterligne virkningen av ATLAS eller CMS detektor. Den Aε avledet fra Ganske god simulering (PGS) 32 er i forhold til det publisert av ATLAS i en forenklet modell nett i figur 1. Disse resultatene er tilstrekkelig nær hverandre (innen omtrent 25%) som, i stedet for å vente på at alle resultater å være offentlige, er Aε resultater for de gjenværende gittere utledet ved hjelp av PGS og anvendt direkte i resten av dette papiret. Ettersom antallet offentlig tilgjengelige forenklet modell Aε resultater vokser, hvis behovet for slike tilnærmelser bli betydelig redusert.

To konservative forutsetninger tillate inkluderingen av et større antall av produksjons-og forråtnelse modi i det ytterste. Den første er at for tilhørende produksjon av eksperimentelle Aε er minst like høy som Aε til det verre av to produksjonsmåter. Forinclusive søk, er dette vanligvis en god antagelse. Det minste forventet antall hendelser vil da være

Ligning 2
hvor den første summen løper over alle produksjonsmåter, og bare de hvor a og b er nøyaktig de partikler fra den forenklede modellen inngår i ligning 1. Likeledes kan Aε for henfall med ulike ben antas å være minst like høy som den Aε til det verre av de to ben. Det vil si,

Ligning 3
hvor diagrammer med forskjellige henfall på hver side har nå blitt inkludert.

Ytterligere to forutsetninger ville tillate innstillingen av stricter grenser. Man kan anta at den eksperimentelle Aε for alle produksjons moduser i teorien er lik den gjennomsnittlige Aε for produksjonsmoduser omfattet av forenklede modeller. I så fall kan det forventede antall hendelser i stedet bli skrevet som

Ligning 4
hvor summene er begge over bare de produksjonsmåter som omfattes av forenklede modeller. Man kan videre anta at Aε for alle decay moduser i teorien er lik den gjennomsnittlige Aε for de hendelser som omfattes av den forenklede modellen topologier. Deretter forventet antall hendelser kan skrives som:

Ligning 5
hvor agai summene kjører bare i løpet av de forenklede modeller. Åpenbart er den mest aggressive mSUGRA grense under denne forutsetningen, og en grense satt på denne måten risikerer å hevde utelukkelse for regioner som ikke ville, faktisk, utelukkes ved 95% konfidensintervall av en dedikert søk. Selv om nøyaktigheten av disse to tilnærminger kan være mistanke om inkluderende kinematikk av de forenklede modeller sammenligne gunstig til en komplett SUSY parameter plass punktet, kan de ikke være urimelig.

† Noen forenklede modeller som nå brukes ved LHC er tilknyttet produksjonen. Selv om det ikke eksplisitt diskutert her, kan ligningene bli trivielt utvides for å tillate dette tilfellet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En. Modell Dekonstruksjon

  1. Generere proton-proton kollisjon arrangementer som dekker et fly i parameterrommet til NPM. Enhver hendelse generator konfigurasjon som innbefatter en Parton dusj og hadronization modellen kan brukes. I tilfelle av mSUGRA for eksempel, er massespektra ble generert ved hjelp av Isasugra 33 og forgrenings fraksjoner og forråtnelse bredder blir beregnet ved hjelp av MSSMCalc 34.. For det tilfelle generering i seg selv, er MadGraph 5 1.3.9 34 med CTEQ 6L1 Parton tetthetsfunksjoner 35 som brukes til å generere matrise-elementarrangementer, siden den inneholder ytterligere stråling i matriseelementet, noe som kan være viktig for små masseknuse scenarier. For å etterligne LHC eksperimentene 'valg av ledende ordens generatorer for mSUGRA, er den ekstra stråling i MadGraph matriseelementet deaktiveres ved generering mSUGRA hendelser. Pythia 6,425 36 brukes deretter for SUSY partikkel (sparticle) råte, parton dusjing,og hadronization. Omfattende dokumentasjon for noen av disse programmene er lett tilgjengelig på nettet.
  2. For å etterligne en LHC detektor, passere hendelsene gjennom PGS med et LHC-detektor parameter kortet. ATLAS og CMS detektoren kortene som følger med MadGraph 5 34 gjør det bra nok for søk rekkevidde analyse. Hvor tilgjengelig, eksperimentene 'parametriseringer av identifikasjon og ytelse offentliggjort med noen analyser kan brukes. Ideelt sett vil forsøkene gi full kartene over aksept og effektivitet for en rekke forenklede modell nett, i hvilket tilfelle disse kan brukes direkte, og dette trinnet er unødvendig.
  3. For å analysere resultatene hurtig, er det ønskelig et mellomliggende lett dataformat. Anbefales utpakking av jetfly, stabile leptoner, mangler tverrgående energi, og eventuelle andre nødvendige slutt-statlige objekter fra PGS-utgang (for eksempel ved hjelp av ExRootAnalysis 34) i et praktisk format.
  4. For to klassifisere resultatene, korrelere PGS resultater arrangement med det parti av generator arrangementet posten nødvendig å klassifisere sparticle produksjon og forråtnelse modi for hver hendelse. Hold orden på alle partikkelmasser, produksjonsmekanismer, og forfallet kjeder samt deres respektive teller for å være i stand til å beregne sin tilsvarende forgrening brøkdel.
  5. Beregn de beste tilgjengelige beregninger for modellen av interesse tverrsnitt produksjon. I tilfelle av mSUGRA, kan neste til ledende orden tverrsnitt for hvert punkt beregnes ved hjelp Prospino 2,1 37 med NLL-Fast 38 bruker CTEQ 6,6 NLO PDF-filer.

2. Modell Rekonstruksjon

  1. Basert på analyse av modellen rivingen ved å velge en ordbok av forenklede modeller, slik som å dekke minst 50% av de åpne produksjon og forråtnelse moduser av NPM. På grunn av den raskt faller tverrsnitt av et BSM modeller med masse, en faktor på to i aksept typitisk utgjør bare 20-50 GeV i grensen, noe som gjør dette tilstrekkelig nær til å være innenfor de eksperimentelle og teoretiske usikkerheter. Mest direkte forfall og ett-trinns forfallet modeller, inkludert off-shell/three-body henfall, har blitt vurdert av LHC eksperimentene. CMS har samlet en rekke forenklede modellen eksklusjons resulterer i et enkelt stykke papir 21. Både ATLAS og CMS har også vurdert en rekke heavy-smaken forenklede modeller. Den fullstendige listen over modeller har ikke blitt gjort offentlig tilgjengelig på ett sted. Men resultatene er tilgjengelige fra de to eksperimenter 'offentlige websider 39, 40. Dette er de forenklede modeller som skal velges fra for rekonstruksjon av NPM.
  2. For å teste kvaliteten av den forenklede modellen dekning, sammenlign kinematikken i noen få representative NPM punkter med de som følge av de forenklede modeller som brukes til å gjengi det punktet. For en gitt NPM punkt, konstruere de relevante forenklede modeller medegnede masser.
  3. Tildele en vekt til hver modelltype som omfatter produksjon brøkdel representert ved at forenklet modell ganger forgrening brøkdel for forfallet representert ved denne modellen.
  4. For tilknyttet produksjon, hvis bare pair-produksjon forenklede modeller er vurdert, dele vekten mellom de to relevante forenklede modeller.
  5. Det anbefales å bruke et sett av fysisk motiverte forenklinger til NPM hendelses topologier for å gruppere lignende produksjons-og decay-moduser.
  6. Normalisere summen av vektene for alle de forenklede modeller til samhold.
  7. Beregn kinematiske distribusjoner for de representative NPM punkter med hendelsen generasjon prosedyren som er beskrevet i den forrige protokollen.
  8. Dersom kinematikken i NPM punkt etter typiske signal valg avviker med mer enn σ (30%) av de av de kombinerte forenklede modeller, omfatte ytterligere forenklede modeller for å forbedre produksjonen og forråtnelsefase-plass dekning. Avvik på 15%-nivå ha ubetydelig innvirkning på de endelige eksklusjons resultater på grunn av den raskt fallende tverrsnitt i de fleste nye fysikkmodeller.

Tre. Begrense Construction

  1. Skaff tilgjengelig og relevant Aε og 95% konfidensintervall øvre grense på antall nye fysikk arrangementer for de forenklede modellene som vurderes i hvert eksperimentell signal region som kan brukes.
  2. Påfør ligninger 1 og 3-5 til NPM av interesse på hvert parameter plass poeng å bestemme under hvilke (om noen) antagelser poenget er utelukket.
  3. Bruk grensen satt av signal regionen med best forventet ytelse, med mindre korrelasjoner mellom signal regionenes bakgrunn usikkerheter er tilgjengelig slik at regionene kan bli riktig kombinert ‡.
  4. Med sammenligning av kinematikk utført med den forrige protokollen og spredning av eksklusjons konturer, bestemme range hvori den eksperimentelle utelukkelse skal ligge.

‡ I dag ingen slike sammenhenger er tilgjengelig.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Etter å ha brukt modellen dekonstruksjon trinn til et punkt i parameterrommet mSUGRA, et sammenbrudd av produksjonen kan best visualisert ved å telle opp de ulike produksjons-og decay moduser for hver generert hendelsen og plotte de tilsvarende produksjonsrater og forgrening fraksjoner i henhold til relative frekvenser. Forgreningen fraksjoner for de forskjellige produksjons-og forråtnelse modi for representative mSUGRA punkter er illustrert i figurene 2 og 3. Et stort antall lignende tall for andre punkter i SUSY parameter plass er tilgjengelig på nettet 41.

For tilfelle av mSUGRA noen tendenser over fase plass er til stede, som vist i figur 4. Squark produksjonen dominerer i lav-m 0, høy-m 1/2 region og gluino produksjon dominerer i det høy-m 0, lav-m 1/2 region. I regionenhvor squark produksjon dominerer, henfaller direkte squark til den letteste supersymmetriske partikler (LSP) er begunstiget. I regioner hvor gluino produksjons dominerer imidlertid direkte henfall av gluino til LSP ikke utgjør mer enn ~ 30% av den totale nedbrytning faseområde. I den mellomliggende regionen, gjør direkte chargino produksjonen opp en nonnegligible bidrag, spesielt mot høy m 0 og høy m 1/2 der squarks og gluinos er alle tunge. Dette mSUGRA flyet, derfor kan dekkes av fem forenklet modell (SM) scenarier:

  • Par-produksjon av squarks, som morkner direkte til LSP via utslipp av en kvark (SM 1);
  • Par-produksjon av gluinos, som morkner direkte til LSP via utslipp av en to kvark (SM-2);
  • Pair-produksjon av squarks, som forfallet i ett trinn til LSP. Den squark desintegrerer til et chargino via utslipp av en kvark og chargino henfall til LSP via utslipp av en W-boso n (SM 3);
  • Pair-produksjon av gluinos, som forfallet i ett trinn til LSP. Den gluino desintegrerer til et chargino via utslipp av to kvark og chargino henfall til LSP via utslipp av en W-boson (SM 4), og
  • Par-produksjon av charginos, som morkner direkte til LSP via utslipp av en W-boson (SM 5).

Fraksjonen av mSUGRA hendelser klassifiseres som tilhørende en av disse fem forenklede modeller er vist i figur 5.. For mSUGRA eksempel er følgende tilleggs forenklende tilnærmelser ble gjort: Når squark henfall til gluino blir gluino råte telles i klassifisere tilfelle topologi, og nedbrytning av squark til gluino telles som en ytterligere stråle i tilfelle ("pluss jets"), som om det var identisk med initial-eller endelig-state stråling. Når gluino henfaller gjennom en squarkiles/ftp_upload/50419/50419gtilde.jpg "/> → q qtilde , qtilde → q men fortsatt synes det endelige tilstand av forfallet som om gluino hadde produsert to jetfly og forfalt direkte, utelate squark-trinnet, spare noen (små) forskjeller i kinematikk. For slike tilfeller er derfor nedbrytningskjeden klassifiseres som om gluino råtten via avgivelse av et par av kvark uten noen mellomliggende squark ( gtilde → qq ), I stedet for å klassifisere det som squark nedbrytning med enekstra start-eller endelig-state stråling lignende jet ( qtilde → q pluss dysen (e)). Assosiert squark-gluino produksjonen er fordelt jevnt mellom de squark og gluino forenklede modeller. Med disse tilnærmelser, er det mulig å klassifisere en stor fraksjon symmetriske arrangementer som en av de fem forenklede modeller som vurderes. Dette er første skritt mot modellen gjenoppbygging.

Arrangementet kinematikk for to mSUGRA parameter plass punkter, sammen med en kombinasjon av forenklede modeller som benyttes for å etterligne dem, er vist på figurene 6, 7 og 8.. Disse to punkter blir analysert ved hjelp av metoden beskrevet ovenfor, og de fem utvalgte forenklede modeller er konstruert og kombinert i henhold til massespektra, produksjonsrater ogforgrening fraksjoner av punktene. De forenklet modell hendelsene ble generert og analysert på en måte identisk med mSUGRA hendelser. Her fire av de viktigste kinematiske variabler som brukes i LHC Supersymmetry søkene er vist: ledende stråletverr momentum (p T), lepton p T, mangler tverrgående energi, og effektiv masse, definert som den skalare sum av den tverrgående bevegelses av fire ledende jets og lepton. To funksjoner er synlige i den effektive massen, ledende jet, og mangler tverrgående energifordelinger, tilsvarende sterk produksjon og weakino produksjon. I disse inclusive distribusjoner, noen avvik er godt synlig. Den lave-p T lepton halen, for eksempel, er hovedsakelig fra Tau henfall som ikke er dekket av noen av de forenklede modeller. Den lave mangler tverrgående energi, er lav effektiv masse region delvis fra LSP-X forbundet produksjon, noe som ikke er modellert. De fleste kinematiske egenskaper er beskrevetgodt nok av PGS i forbindelse med et søk i en parameter plass med raskt fallende bakgrunn. Tau falske Rentene er fortsatt en betydelig utfordring for en parametrisering av tau analyseresultater, og helt adressering at problemet er utenfor omfanget av denne protokollen.

Men kutt av de fleste signal regioner som brukes ved LHC er slik at enkle forfallet topologier er valgt i løpet av de mer komplekse, ofte mykere eller høyere mangfoldighet hendelser. Således tenderer signal region valg å forbedre beskrivelsen av kinematikk ved forenklede modeller. Sammenligning i en en-lepton region lik den som brukes i en fersk ATLAS SUSY søk 16 er vist i figurene 7 og 8.. Avtalen i både form og haler er betydelig bedre. De kinematik for de forenklede modeller sammenligne godt til inkluderende SUSY modell kinematikk, noe som tyder på at effektiviteten og aksept for en komplett SUSY punkt kan være godt beskrevetav en begrenset kombinasjon av forenklede modeller. Selvfølgelig, kinematikk av bare de supersymmetriske hendelser tilsvarende topologier beskrevet av de forenklede modellene er identiske med sine forenklet modell kolleger. Dette fungerer som en bekreftelse på at disse hendelsene ikke omfattes av disse forenklede modeller er enten en liten brøkdel av de totale hendelser eller kinematically lik de som er dekket. Dette fullfører modellen rekonstruksjon trinnet i tilfelle av mSUGRA.

Prosedyren grense-innstilling under pkt. 3 blir deretter brukt til mSUGRA flyet med tan β = 10, A 0 = 0 og μ> 0, bruke signal regioner fra ATLAS null-lepton søk 16. Fem signal regioner er inkludert i denne søk, og signalet region med best forventede grense er brukt for hvert punkt. Et punkt er ansett for å bli ekskludert dersom antall forventede supersymmetriske hendelser i optimal signal regionen overstiger den observerte 95% konfidensintervalløvre grense på nye fysikk hendelser i at signal regionen. Resultatene av den forenklede modellen uttrekk blir sammenlignet med null-lepton utelukkelse uten systema usikkerheter på signalet, som omtalt tidligere, i figur 9.. Fire forenklede modellen eksklusjons kurver er vist, tilsvarende ligningene 1 og 3-5. I forhold til grensen på null-lepton eksklusjon, gjør den mest konservative forenklet-modellbasert tilnærming heller dårlig i regionen domineres av qtildegtilde og weakino tilknyttet produksjon, mangler riktig grense med opp til ~ 100 GeV. Dette er også til dels på grunn av den forholdsvis kompliserte nedbrytning av gluino (jf stort antall åpne moduser i figur 3). Dekningen er mye nærmere den sanne grensenfor regionen domineres av qtildeqtilde og gtildegtilde produksjon, hvor det forenklede modell-avledet grense er innen 40 GeV av den egentlige grense.

Denne resept utelater behandling av teoretiske usikkerheter av signalmodellen. Faktisk, LHC eksperimenter som ikke behandler disse usikkerhetene på en konsekvent måte, og heller ikke er alle de usikkerheter inkludert. Ingen forsøk, for eksempel, omfatter enhver usikkerhet ved beregning av synlige masser fra tarmen skalaparametre. Grensene thpå blir presentert her, derfor bør forventes å være forskjellig fra de publiserte grensene. I figur 10, blir de publiserte ATLAS eksklusjonsgrenser på null-lepton kanalen i forhold til de som er fremstilt her uten noen systematisk usikkerhet på signalet. Grensen uten signal usikkerheter er klart høyere enn den publiserte grense. For resten av papiret, vil grensen uten systematiske usikkerhet om signalet tas som den "riktige svaret" for å være kommet fram til ved hjelp av forenklede modeller. Den teoretisk usikkerhet kan tilsettes til begge på samme måte, og vil påvirke begge rammer i tilnærmet samme måte.

For å skildre resultatene oppnåelig med dagens ressurser så nøyaktig som mulig, er forenklet modell poeng generert på et rutenett som tilsvarer omtrent til som allerede er i bruk av ATLAS eksperimentet 17. Mellom disse punktene, er Aε interpolert i de to-dimensjonale msquark / m gluino = m LSP rutenett. Fordi SM 3 og SM 4 er tredimensjonale nett, og fordi det er lite sannsynlig at eksperimentene vil gi full tredimensjonal Aε, er tre verdier av mellom chargino masse brukes: m chargino = x x (m squark / gluino - m LSP) + m LSP, x = 0,25, 0,5, og 0,75. For å interpolere mellom de tre todimensjonale plan, er en enkel kvadratisk form benyttes. Når du nærmer deg grensene for m LSP = m chargino og m squark / gluino, forfallet moduser naturligvis slå av, noe som gjør mer komplisert interpole unødvendig.

Fra sammenligne eksklusjons kurver, kan man faktisk se at en grense konservativ utelukkelse stilles inn med Eq. 1 følger grensen "riktig" utelukkelse ganske bra i regioner av faserommet som er godt dekket av forenklet modusls (jfr. figur 5). I regioner som ikke er så godt dekket, Eq. 3 gir likevel en konservativ grense. Den aggressive grense satt av Eq. 5 overvurderer utelukkelse med inntil 40 GeV i squark dominerte regionen og med opp til 100 GeV i gluino dominerte regionen i faserommet, fordi forutsetningen om at de lange gluino forfallet kjedene er godt modellert av de kortere kjeder av forenklede modeller er ugyldig på noen nivå. I form av parameter-plass dekning, de konservative rammer under-cover med 20%, de midterste to grenser under-cover med 10%, og den aggressive grensen over-deksler med 10%. Naturligvis, utvide ordlisten av forenklede modeller tilgjengelig ville forbedre den konservative grense og redusere aggressive grense som mer korrekt Aε er inkludert for flere produksjons-og decay moduser. Men selv med denne lite antall forenklede modeller, den konservative grenser sett er nær den "rette" resultat.

For demonstrative formål, er grenser også plassert på en mSUGRA signal regionen på høy tan β. Grensene er vist i figur 11.. Basert på avtalen observert i figur 10, bør den eksperimentelle utelukkelse ligge litt utover uttrekk stilles ved Eq. Tre.

I ekstrapolere til mer eksotiske teorier, eller selv i å utvide anvendelsen av en liten liste over forenklede modeller til Susy teorier, kan flere tilnærmingsmåter:

  1. At heavy-smaken jets er identisk med lett smak jetfly for søk som ikke inneholder smak tagging;
  2. At fotoner er identisk med dyser for søk som ikke identifiserer fotoner;
  3. At mer enn halvparten av tiden, chargino (neutralino) henfaller til LSP via utslipp av et W-boson (Z-bosonet) produsere en signatur funksjonelt identisk med gluino henfaller via utslipp av to kvarker.
t "> Slike tilnærminger er fysisk godt motivert og bør resultere i begrensninger som fortsatt er i overensstemmelse med de fulle eksperimentelle resultater.

Figur 1
Figur 1. Venstre, offentlig Aε for ATLAS tre jet "løs" one-lepton signal region 17. Høyre, den samme gjengitt i MadGraph + Pythia + PGS oppsett brukes her. Noen forskjeller er å forvente fra de forskjellige generatorer og høyere statistikk som brukes her, men de to følger hverandre tett. Klikk her for å se større figur .

19/50419fig2highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50419/50419fig2.jpg "/>
Figur 2. Forgrening forholdstall for SUSY produksjonsmekanismer og forfall moduser i mSUGRA parameter plass. Den øverste raden (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 600 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ> 0 ) er typisk for regionen i parameter plass som er dominert av squark produksjon, og den nederste raden (m 0 = 1000 GeV, m 1/2 = 350 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ > 0) er typisk for regionen i parameter plass liggende litt i mellom de to ytterpunktene. For klarhet, er produksjon og decay moduser kun opp hvis deres forgrening brøkdel er større enn 0,5%. Etikettene "SM" med et tall er gitt til forfallet moduser som svarer til de forenklede modeller som omtales i modelloppbyggingen protokollen.les/ftp_upload/50419/50419fig3large.jpg "target =" _blank "> Klikk her for å se større figur.

Figur 3
Figur 3. Forgreningsforhold for SUSY produksjonsmekanismer og forfall moduser i mSUGRA parameter plass. Den øverste raden (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 500 GeV, tan (β) = 25, A 0 = 1500 GeV, og μ> 0) er typisk for regionen i parameter plass som er dominert av squark produksjon, og den nederste raden (m 0 = 2100 GeV, m 1/2 = 100 GeV, tan (β) = 45, A 0 = 500 GeV , og μ> 0) er typisk for regionen domineres av gluino produksjon. For klarhet, er produksjon og decay moduser kun opp hvisderes forgrening fraksjonen er større enn 0,5%. Etikettene "SM" med et tall er gitt til forfallet moduser som svarer til de forenklede modeller som omtales i modelloppbyggingen protokollen. Modellene i de hvite områdene hadde ingen hendelser beskrevet av forenklede modeller, med begrensede Monte Carlo statistikk. Klikk her for å se større figur .

Figur 4
Figur 4. Variasjon av forgreningsforhold, i prosent, av de viktigste SUSY produksjon og forfall moduser i mSUGRA parameter plass med tan (β) = 10, A 0 og μ> 0. Den øvre høyre hjørne, hvor de sterke sparticles er tung, inneholder en betydelig kontr ibution fra weakino produksjon. Modellene i de hvite områdene hadde ingen hendelser beskrevet av forenklede modeller, med begrensede Monte Carlo statistikk. Klikk her for å se større figur .

Figur 5
Figur 5. Andelen mSUGRA hendelser klassifisert som tilhørende en av de fem forenklede modeller vurderes i denne artikkelen, for lav-tan (β) (til venstre) og high-tan (β) (til høyre). Klikk her for å se større figur .

419fig6highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50419/50419fig6.jpg "/>
Figur 6. Kinematikk av en squark-produksjon dominert mSUGRA Punkt (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 600 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ> 0), og et sett fem forenklede modeller bygd med samme masse spekteret. klokken fra øverst til venstre, som fører jet p T, ledende myon p T, effektiv masse, og mangler tverrgående energi. Ingen signalvalg har blitt påført. Klikk her for å se større figur .

Figur 7
Figur 7. Kinematikk av en squark-proDette skjer dominert mSUGRA punkt (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 600 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ> 0), og et sett av fem forenklede modeller bygges ved bruk av den samme masse spekteret. klokken fra øverst til venstre, som fører jet p T, ledende myon p T, effektiv masse, og mangler tverrgående energi. Et signal utvalg som ligner på den ene-lepton fire-jet "tight" ATLAS SUSY Søket er blitt anvendt. Klikk her for å se større figur .

Figur 8
Figur 8. Kinematikk av et kompleks mSUGRA punkt (m = 0 1000 GeV, m 1/2 =350 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ> 0) og et sett med fem forenklede modeller bygd med samme masse spekteret. Klokken fra øverst til venstre, som fører jet p T, ledende myon p T , effektiv masse, og manglende tverrgående energi. Et signal utvalg som ligner på den ene-lepton fire-jet "tight" ATLAS SUSY Søket er blitt anvendt. Klikk her for å se større figur .

Figur 9
Figur 9. Kombinert null-lepton grenser eksklusjons for mSUGRA modeller med tan β = 10, A 0 = 0 og μ> 0 (10a) i sammenligning med grense utelukkelseoppnådd ved bruk av forenklede modeller (10b). Signalet region som gir best forventede grensen er tas for et gitt punkt i parameterrommet. Den forventede 95% konfidensintervall grensen er vist som en stiplet blå linje, og den observerte grensen er vist som en solid rød linje. Resultater fra tidligere søk blir også vist for sammenligningsformål 42-48, selv om noen av disse grensene ble produsert ved hjelp av litt ulike parametervalg. De forenklet modell grensene er generert ved hjelp av fire ulike sett av forutsetninger, tilsvarende grense ligninger i hovedteksten. Klikk her for å se større figur .

Fig. 10
Figur 10. Kombinert null-lepton grenser eksklusjons forMSUGRA modeller med tan β = 10, A 0 = 0 og μ> 0 16 (til venstre) i sammenligning med utelukkelse grensen oppnådd ved bruk av PGS og uten en systematisk usikkerhet på signalet. Signalet region som gir best forventede grense er tatt for en gitt punkt i parameter plass. Den forventede 95% konfidensintervall grensen er vist som en stiplet blå linje, og den observerte grensen er vist som en solid rød linje. Resultater fra tidligere søk blir også vist for sammenligningsformål 42-48, selv om noen av disse grensene ble produsert ved hjelp av litt ulike parametervalg. Klikk her for å se større figur .

Figur 11
Figure 11. Eksklusjons grenser for mSUGRA modeller med tan β = 40, A 0 = -500 GeV og μ> 0 (til venstre) og tan β = 20, A 0 = 500 GeV og μ> 0 (th) innhentet ved hjelp av forenklede modeller . Kombinerte grenser oppnås ved hjelp av signalområde som genererer best forventede grense på hvert punkt i parameterrommet. De forenklet modell grensene er generert ved hjelp av fire ulike sett av forutsetninger, tilsvarende grense ligninger i hovedteksten. Klikk her for å se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Anvendelsen av en forenklet modell grenser for å produsere en utelukkelse konturen i en fullstendig ny fysikkmodellen har blitt demonstrert. Til tross for den tilsynelatende komplekse mSUGRA parameter plass punkter, kinematikk kan godt gjengitt ved en kombinasjon av bare et lite antall av forenklede modeller. Den kinematiske avtalen er ytterligere forbedret når man ser innenfor et bestemt signal region, siden søkene hittil utført ved LHC har en tendens til å favorisere forenklet modell-lignende hendelses topologier med en (relativt) lite antall high-p T stedene.

Eksklusjons konturer avledet fra forenklede modeller tåler sammenligning med de som allerede er publisert med dedikerte søk. Med denne fremgangsmåten, er det mulig å trivielt støpt eksklusjons resultater i mer eksotiske supersymmetriske teorier, eller selv inn nonSUSY teorier med signaturer er omfattet av forenklede modeller. Denne metoden gir i tillegg en enkel rute for bevaring av data ennd anvendelse av dagens søk til fremtidige teorier.

Praktisk talt, betyr denne tilnærmingen en betydelig ressursbesparende for LHC eksperimenter og en stor fordel for LHC teoretikere og fenomenologer. Ved omstøping av teoriene ved informasjon som er tilgjengelig fra matriseelementet og forråtnelse sannsynligheter, må ingen databehandling krevende simulering av modellen gjøres. I stedet forsøkene står fritt til å oversiktlig gi eksklusjons resultater i et stort utvalg av teoretiske modeller som inkluderer - men kan ikke være helt dekket av - enkle endelige stats signaturer. På samme måte trenger ikke teoretikere vente på at LHC eksperimentene å produsere grenser i sin favoriserte modell. Selv om de forenklede modeller ikke kan dekke alle produksjons-og fall moduser av en modell, med et relativt lite antall av forenklede modeller er det mulig å dekke et relativt bredt utvalg av muligheter. Unntakene ervervet på denne måten ikke nøyaktig lapper resultatene av en komplett erfaringmental søk. I dagens LHC søk æra, men de gir en kritisk og overraskende nøyaktig vurdering av hvor mye teori plass har allerede blitt ekskludert av de allerede gjennomførte søk, og hvor mye fremdeles kan være åpen for oppdagelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne er begge medlemmer av ATLAS-samarbeidet. Men ingen ATLAS interne ressurser, penger eller annet, ble brukt i gjennomføringen av dette arbeidet.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å takke Jay Wacker for betydelig diskusjon av forenklede modeller og potensielle fallgruver. Mange takk også til Max Baak og Till Eifert for konstruktiv kritikk og oppmuntring når det var nødvendig. Takket være CERN Summer Student Program for å gjøre dette samarbeidet mulig.

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

Fysikk høy energi fysikk partikkelfysikk supersymmetri LHC ATLAS CMS New Physics Limits forenklet modeller
Innstilling Begrensninger på Supersymmetry Bruke forenklet modeller
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