Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fastsættelse af grænseværdier for Supersymmetri Brug simplificerede 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

Dette papir demonstrerer en protokol til omarbejdning eksperimentelle forenklet model lofter i konservative og aggressive grænser for en vilkårlig ny fysik model. Offentligt tilgængelige LHC eksperimentelle resultater kan omarbejdes på denne måde i grænser for næsten enhver ny fysik model med en supersymmetri-lignende signatur.

Abstract

Eksperimentelle grænser for supersymmetri og lignende teorier er vanskelige at sætte på grund af den enorme tilgængelige parameter plads og vanskeligt at generalisere på grund af kompleksiteten af ​​enkelte punkter. Derfor er mere fænomenologiske, forenklede modeller ved at blive populært for indstilling eksperimentelle grænser, da de har klarere fysiske fortolkninger. Anvendelsen af ​​disse forenklede model grænser at sætte en fast grænse for en konkret teori er imidlertid ikke blevet påvist. Dette papir omarbejdning af forenklet model lofter i grænser for en specifik og fuldstændig supersymmetri model, minimal supergravitation. Grænser opnået under forskellige fysiske forudsætninger er sammenlignelige med dem frembragt af rettet søgninger. En recept er fastsat til beregning af konservative og aggressive grænser for yderligere teorier. Brug accept og effektivitet borde sammen med de forventede og observerede antal arrangementer i forskellige signal regioner kan LHC eksperimentelle resultater omarbejdes i denne manner i næsten alle teoretisk ramme, herunder nonsupersymmetric teorier med supersymmetri-lignende signaturer.

Introduction

Et af de mest lovende udvidelser af Standardmodellen, supersymmetri (SUSY) 1-14, er det centrale fokus for mange søgninger ved LHC eksperimenterne på CERN. De indsamlede i 2011 data allerede tilstrækkelige til at skubbe grænserne for nye fysik udover de tidligere Collider 15-22. Som nye data ankommer og udelukkelser er skubbet endnu længere, vil det blive mere og mere vigtigt klart at meddele fysik samfund hvilke områder af den omfattende supersymmetriske parameter rummet er blevet udelukket. Aktuelle grænser er typisk sat på begrænsede todimensionale fly, som ofte ikke repræsenterer de forskellige tilgængelige SUSY parameter plads og er vanskelige at forstå, som grænser for fysiske masser eller forgrenede fraktioner. Et stort sæt af forenklede modeller 23, 24 er blevet foreslået for medvirken i forståelsen af disse grænser, og både ATLAS og CMS har givet udelukkelses resultater for flere af disse modeller 15-20.

Dette papir demonstrerer anvendelsen af disse forenklede model udelukkelser til en fuld ny fysik model ved hjælp af eksemplet med den minimale supergravitation (MSUGRA, også kendt som CMSSM) 25-30. Denne model er valgt for at kunne sammenligne de grænser, der ved hjælp af forenklede modeller til dem, der offentliggøres uafhængigt af de eksperimenter. Proceduren er tilstrækkelig generel til at kunne udvides til en ny fysik model (NPM). Da dette er det første forsøg på at "lukke loop", og sætte grænser for SUSY anvender forenklede modeller, er udforsket en række antagelser om anvendeligheden af ​​begrænsninger på bestemte forenklede modeller, hvilket resulterer i opskrifter til indstilling konservative og aggressive grænser på teorier, der har ikke blevet undersøgt af LHC eksperimenter.

For at sætte en grænse i et NPM er tre separate operationer krævede. For det første skal NPM dekonstrueres i dets stykker, der adskiller de forskellige produIndsatsen modes og forfald tilstande for alle nye partikler i modellen. For det andet skal et sæt forenklede modeller vælges til at genskabe kinematik og relevante event topologier i NPM. For det tredje skal de tilgængelige grænser for disse forenklede modeller kombineres for at producere grænser for NPM. Disse tre procedurer er beskrevet i protokollen. Nogle yderligere tilnærmelser er også der kan udvide anvendeligheden af ​​de allerede tilgængelige forenklede modeller til en bredere vifte af arrangementer topologier.

En komplet NPM involverer typisk mange produktions-modes og mange mulige efterfølgende henfald. Den dekonstruktion af nye fysik-modeller til deres bestanddele, og anvendelsen af ​​forenklede model grænser for disse elementer giver mulighed for opførelse af en udelukkelse begrænser direkte. For ethvert signal region, kan de mest konservative grænse indstilles ved hjælp af fraktionen produktion P (a, b) (hvor a, b repræsenterer den forenklede model spaArtikel produktion tilstand) af arrangementer er identiske med en forenklet model I og forgrening fraktion for de producerede sparticles til forfald på den måde, der er beskrevet af den forenklede model †, BR en → i x BR B → jeg. Det forventede antal hændelser i et givet signal region fra disse enkle topologier kan derefter skrives som

Ligning 1
hvor summen er over forenklede modeller, σ tot er det samlede tværsnit for NPM punkt L int er den integrerede lysstyrke bruges i søgningen, og AE a, b → jeg er accept gange effektivitet for de forenklede model begivenheder i signal region under overvejelse. Dette nummer kan i forhold til den forventede 95% konfidensniveau øvre grænse for antallet af nye fysik begivenheder to vælge den optimale søgning regionen. Modellen kan derefter udelukkes, hvis N er større end det observerede antal nye fysik begivenheder udelukket ved et konfidensniveau på 95%. Udelukkelser i nonoverlapping regioner kan kombineres, hvis oplysninger om korrelationer deres usikkerheder er til rådighed. Hvis disse oplysninger ikke er tilgængelig, kan det bedste signal region eller analyse, der giver den bedste forventede grænse bruges til at forsøge at udelukke modellen.

For at konstruere konkrete grænser med denne metode, skal den Aε forskellige forenklede modeller stilles til rådighed af LHC eksperimenter. Både CMS og ATLAS har offentliggjort tallene med Aε for flere modeller, og et par af tallene er tilgængelige i HepData databasen 31. For at demonstrere værdien af ​​at offentliggøre alle sådanne tabeller, føler vi, det er vigtigt at give konkrete grænser, som er sammenlignelige med dem, der allerede er offentliggjort. Derfor bruger vi (og describe i protokollen som et valgfrit trin) en hurtig detektor simulation til at efterligne effekten af ​​ATLAS eller CMS-detektor. Den Aε afledt af Pretty Good Simulation (PGS) 32 er i forhold til det udgivet af ATLAS i en forenklet model gitter i figur 1. Disse resultater er tilstrækkeligt tæt på hinanden (inden for ca 25%), at i stedet for at vente på alle resultater for at være offentlig, er Aε resultaterne for de resterende net udledt ved hjælp af PGS og anvendes direkte i resten af dette papir. Da antallet af offentligt tilgængelige forenklet model Aε resultater vokser, bør behovet for sådanne tilnærmelser blive reduceret betydeligt.

To konservative antagelser tillader optagelse af et større antal af produktions-og henfald tilstande i grænsen. Den første er, at efter tilhørende produktion den eksperimentelle Aε er mindst lige så højt som det Aε til det værre af de to produktionsanlæg tilstande. Forinclusive søgninger, det er generelt en god antagelse. Antallet af hændelser forventede mindste ville så være

Ligning 2
hvor den første sum løber over alle produktionsprocesser modes, og kun dem, hvor a og b er præcis de partikler fra den forenklede model er inkluderet i ligning 1. Tilsvarende kan Aε for henfald med forskellige ben formodes at være mindst lige så høj som den Aε til det værre af de to ben. Det vil sige,

Ligning 3
hvor diagrammer med forskellige henfald på hver side er nu blevet inkluderet.

To yderligere antagelser ville tillade indstilling af stricter grænser. Man kan antage, at den eksperimentelle Aε for alle produktions-modes i teorien svarer til den gennemsnitlige Aε til produktionsområderne tilstande er omfattet af forenklede modeller. I dette tilfælde kan det forventede antal hændelser i stedet skrives som

Ligning 4
hvor de beløb, er begge over kun de produktions-tilstande er omfattet af forenklede modeller. Man kunne endvidere antager, at Aε for alle henfald tilstande i teorien svarer til den gennemsnitlige Aε for disse begivenheder, som er omfattet af de forenklede model topologier. Så det forventede antal hændelser kan skrives som:

Ligning 5
hvor agai de beløb, der kun kører i løbet af de forenklede modeller. Det er klart, er den mest aggressive MSUGRA grænse i henhold til denne antagelse, og et loft fastsat i denne måde risikerer hævder udelukkelse for regioner, der ikke ville i virkeligheden være udelukket ved et konfidensniveau på 95% af en dedikeret søgning. Selv om nøjagtigheden af ​​disse to approksimationer kan være mistænkt, hvis inclusive event kinematik de forenklede modeller sammenligne positivt til en komplet SUSY parameterrum punkt, kan de ikke være urimelig.

† Nogle forenklede modeller, nu bruges ved LHC omfatte tilhørende produktion. Selvom det ikke er udtrykkeligt omtalt her, kan ligningerne blive trivielt udvides for at muliggøre denne sag.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.. Model Dekonstruktion

  1. Generer proton-proton kollision begivenheder, der dækker et fly i parameter rummet af NPM. Enhver hændelse generator konfiguration, der omfatter en Parton bruser og hadronization model kan anvendes. I tilfælde af MSUGRA for eksempel er massespektre genereres ved hjælp Isasugra 33, og de ​​forgrenende fraktioner og henfald bredder beregnes ved MSSMCalc 34. For begivenheden generation selv, er MadGraph 5 1.3.9 34 med CTEQ 6L1 parton tæthedsfunktioner 35 bruges til at generere matrix-element arrangementer, da det indeholder ekstra stråling i matricen element, hvilket kan være vigtigt for små masse-splitting scenarier. For at efterligne LHC eksperimenter «valg af førende ordens generatorer til MSUGRA er den ekstra stråling i MadGraph matrix element er deaktiveret, når du genererer MSUGRA begivenheder. Pythia 6.425 36 anvendes derefter til SUSY partikel (sparticle) forfald, Parton brusebad,og hadronization. Omfattende dokumentation for nogen af ​​disse programmer er let tilgængelige på internettet.
  2. For at efterligne en LHC detektor, passerer begivenhederne gennem PGS med en LHC-detektor parameter kort. Atlas og CMS detektor-kort følger med MadGraph 5 34 klarer sig godt nok for søgning rækkevidde analyse. Hvis de er tilgængelige, de eksperimenter «parameterizations for identifikation og ydeevne offentliggøres med nogle analyser kan anvendes. Ideelt set vil forsøgene yde fuld kortlægning af accept og effektivitet for en række forenklede model net, i hvilket tilfælde de kan anvendes direkte, og dette trin unødvendigt.
  3. For at analysere resultaterne hurtigt et mellemprodukt letvægts dataformat er ønskelig. Det anbefales Udpakning dyserne, stabile leptoner, manglende tværgående energi, og andre nødvendige afsluttende-state genstande fra PGS udgang (fx anvendelse ExRootAnalysis 34) i et praktisk format.
  4. For to klassificere resultaterne, korrelere PGS event resultater med den del af generatoren hændelsesjournal nødvendigt at klassificere sparticle produktion og henfald tilstande for hvert arrangement. Hold styr på alle partikelmasserne, produktions-mekanismer og henfaldskæder samt deres respektive tællinger for at være i stand til at beregne deres tilsvarende fraktion forgrening.
  5. Beregn den bedste tilgængelige produktions tværsnitsberegning for modellen af ​​interesse. I tilfælde af MSUGRA kan næste-til-førende ordens tværsnit for hvert punkt beregnes ved hjælp Prospino 2,1 37 med NLL-Fast 38 hjælp CTEQ 6.6 NLO PDF-filer.

2. Model Genopbygning

  1. Baseret på fordelingen fra den model, dekonstruktion, skal du vælge en ordbog forenklede modeller for at dække mindst 50% af de åbne produktions-og henfald tilstande af NPM. På grund af den hastigt faldende tværsnit af de fleste BSM modeller med masse, en faktor to i accept typisktisk udgør kun 20-50 GeV i grænsen, hvilket gør dette tilstrækkeligt tæt til at være inden for de eksperimentelle og teoretiske usikkerheder. Mest direkte forfald og et-trins henfald modeller, herunder off-shell/three-body henfald, er blevet behandlet af LHC eksperimenter. CMS har samlet en række forenklede model udelukkelses resulterer i en enkelt papir 21. Både ATLAS og CMS har også overvejet en række heavy-smag forenklede modeller. Den fulde liste over de modeller er ikke blevet gjort offentligt tilgængelige på et enkelt sted. Dog er tilgængelige fra de to eksperimenter »offentlige websider 39, 40 resultaterne. Disse er de forenklede modeller, der skal vælges fra til genopbygning af NPM.
  2. For at teste kvaliteten af ​​den forenklede model dækning, sammenligne kinematik nogle repræsentative NPM punkter, der følger af de forenklede modeller, der benyttes til at reproducere dette punkt. For en given NPM punkt, konstruere de relevante forenklede modeller medhensigtsmæssige masser.
  3. Tildele en vægt til hver model type, der omfatter produktion fraktion repræsenteres af denne forenklede model gange den forgrening fraktion for henfald repræsenteret ved denne model.
  4. For tilhørende produktion, hvis kun pair-produktions forenklede modeller betragtes, dividere vægten mellem de to relevante forenklede modeller.
  5. Det anbefales at anvende et sæt af fysisk motiverede forenklinger til NFM event topologier med henblik på at gruppere lignende produktions-og forfald-modes.
  6. Normalisere summen af ​​vægtene for alle de forenklede modeller til enhed.
  7. Beregn de kinematiske fordelinger for de repræsentative NPM punkter ved hjælp af begivenheden generation, der er beskrevet i den foregående protokol.
  8. Hvis kinematik NPM punkt efter typiske signal markeringer afviger med mere end σ (30%) fra de af de kombinerede forenklede modeller, inkludere yderligere forenklede modeller til at forbedre produktionen og forfaldfase-space dækning. Uoverensstemmelser på 15%-niveauet har ubetydelig indvirkning på de endelige udelukkelseskriterier resultater på grund af de hastigt faldende tværsnit i de fleste nye fysik-modeller.

3. Begræns Byggeri

  1. Anskaf den tilgængelige og relevante Aε og 95% konfidensniveau øvre grænse for antallet af nye fysik arrangementer for de forenklede modeller, der overvejes i hver eksperimentel signal region, der kan anvendes.
  2. Anvende ligninger 1 og 3-5 til NFM af interesse på hver parameter plads til at fastslå, under hvilke (hvis nogen) antagelser pointen er udelukket.
  3. Brug den grænse, som det signal regionen med det bedst forventede ydeevne, medmindre korrelationer mellem signalet regionernes baggrund usikkerheder er tilgængelige, så regionerne kan blive ordentligt kombineres ‡.
  4. Med sammenligning af kinematik udført med den foregående protokol og udbredelsen af ​​udelukkelses konturer, fastlægge, raNSÆ, hvor den eksperimentelle udelukkelse bør ligge.

‡ På nuværende findes der ingen sådanne sammenhænge.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Efter at have anvendt den model dekonstruktion skridt til et punkt i parameteren rum MSUGRA, en opdeling af output kan bedst visualiseres ved at tælle op af de forskellige produktions-og henfald tilstande for hver genereret begivenhed og plotte de tilsvarende produktion satser og forgrening fraktioner i henhold til den relative frekvenser. Forgreningsforholdene fraktioner for de forskellige produktions-og decay modes for repræsentative MSUGRA punkter er illustreret i figur 2 og 3.. Et stort antal lignende tal for andre punkter i SUSY parameter rummet er tilgængelige online 41.

For tilfælde af MSUGRA nogle tendenser i fase rummet er til stede, som demonstreret i figur 4.. Squark produktion dominerer i lav-m 0, high-m 1/2-regionen, og gluino produktion dominerer i high-m 0, lav m 1/2 region. I regionenhvor squark produktion dominerer, direkte squark henfalder til den letteste supersymmetriske partikel (LSP) er begunstiget. I områder, hvor gluino produktion dominerer imidlertid direkte henfald af gluino til LSP aldrig omfatter mere end ~ 30% af den samlede henfaldsfasen plads. I det mellemliggende område, direkte chargino produktion udgør en nonnegligible bidrag, især i retning af høj m 0 og høj m 1/2, hvor squarks og gluinos er alle tunge. Dette MSUGRA flyet kan derfor være omfattet af fem forenklede model (SM) scenarier:

  • Pair-produktion af squarks, som direkte henfalder til LSP via udsendelse af en kvark (SM 1);
  • Pair-produktion af gluinos, som direkte henfalder til LSP via emission af en to kvarker (SM 2);
  • Pair-produktion af squarks, hvilket forfald i ét trin til LSP. Den squark henfalder til en chargino via udsendelse af en kvark og chargino henfalder til LSP via emission af en W-boso n (SM 3);
  • Pair-produktion af gluinos, hvilket forfald i ét trin til LSP. Den gluino henfalder til en chargino via emission af to kvarker og chargino henfalder til LSP via udsendelse af en W-boson (SM 4), og
  • Pair-produktion af charginos, som direkte henfalder til LSP via emission af en W-boson (SM 5).

Fraktionen af MSUGRA hændelser klassificeret som tilhører en af disse fem forenklede modeller er vist i figur 5.. For MSUGRA eksempel er følgende yderligere forenkling tilnærmelser gjort: Når squark henfalder til gluino er gluino henfald tælles i at klassificere hændelsen topologi, og henfald af squark til gluino tælles som en ekstra stråle i tilfælde ("plus jets"), som om det var identisk med indledende-eller afsluttende-state stråling. Når gluino henfalder gennem en squarkiles/ftp_upload/50419/50419gtilde.jpg "/> → q qtilde , qtilde → q synes imidlertid den endelige tilstand af forfald stadig som om gluino havde produceret to jetfly og forstokkede direkte, at udelade squark-trin, spare nogle (små) forskelle i kinematik. For disse tilfælde, og derfor er henfaldskæden klassificeret som om gluino henfaldet via emission af et par kvarker uden mellemliggende squark ( gtilde → qq ), Snarere end at klassificere det som squark forfald med enekstra initial-eller afsluttende-state stråling-lignende jet ( qtilde → q plus jet (e)). Associeret squark-gluino produktion fordeles ligeligt blandt de squark og gluino forenklede modeller. Med disse tilnærmelser, er det muligt at klassificere en stor del af SUSY begivenheder som en af ​​de fem forenklede modeller under overvejelse. Dette er det første skridt i retning af model genopbygning.

Arrangementet kinematik til to MSUGRA parameter space point, sammen med en kombination af simplificerede modeller anvendes til at efterligne dem, der er vist i figur 6, 7 og 8. Disse to punkter er deconstructed ved hjælp af den ovenfor beskrevne fremgangsmåde, og de fem udvalgte forenklede modeller er konstrueret og kombineres efter massespektre, produktionshastigheder ogforgrening fraktioner af punkter. De forenklede model hændelser blev genereret og analyseret på en måde identisk med begivenhederne MSUGRA. Her er fire af de vigtigste kinematiske variable anvendt i LHC supersymmetri søgninger vises: førende jet transversalimpuls (p T), lepton p T, manglende tværgående energi og effektiv masse, der defineres som skalar summen af den tværgående bevægelsesmængde af de fire førende jets og Lepton. To funktioner er synlige i den effektive masse, der fører jet, og manglende tværgående distributioner energi, svarende til stærk produktion og weakino produktion. I disse inclusive distributioner, nogle uoverensstemmelser er klart synlige. Den lave p T lepton hale, for eksempel, er hovedsageligt fra tau henfald, der ikke er omfattet af nogen af de forenklede modeller. Den lave manglende tværgående energi, lav effektiv masse region er delvist fra LSP-X associeret produktion, hvilket ikke er modelleret. De fleste kinematiske funktioner er beskrevetgodt nok af PGS med henblik på en søgning i en parameter rum med hastigt faldende baggrund. Tau falske renter er fortsat en stor udfordring for en parametrisering af tau analyseresultater, og helt fat dette spørgsmål er uden for rammerne af denne protokol.

Men de nedskæringer i de fleste signal regionerne, der anvendes ved LHC er sådan, at simple henfald topologier er valgt frem for de mere komplekse, ofte blødere eller højere mangfoldigheden begivenheder. Således signal region valg tendens til at forbedre beskrivelsen af ​​begivenheden kinematik ved forenklede modeller. Sammenligning i en en-Lepton region svarende til den anvendt i en nylig ATLAS SUSY søgningen 16 er vist i figur 7 og 8. Aftalen i både form og haler er betydeligt bedre. De kinematik til de forenklede modeller sammenligne godt til det rummelige SUSY model kinematik, hvilket tyder på, at effektiviteten og accept for en komplet SUSY punkt kan godt beskrevetaf en begrænset kombination af forenklede modeller. Selvfølgelig kinematik kun de SUSY arrangementer svarende til topologier beskrevet af de forenklede modeller er identiske med de forenklede model modstykker. Dette tjener som en bekræftelse på, at disse begivenheder ikke er omfattet af disse forenklede modeller er enten en lille brøkdel af de samlede begivenheder eller kinematisk ligner dem, der er dækket. Dette afslutter model genopbygning trin i tilfælde af MSUGRA.

Grænsen-indstillingen procedure i henhold til § 3 er derefter anvendt til MSUGRA fly med tan β = 10, A 0 = 0 og μ> 0, ved hjælp af signal-regioner fra ATLAS nul-lepton søgningen 16. Fem signalområderne er inkluderet i denne søgning, og signalet regionen med den bedste forventede grænse anvendes til hvert punkt. Et punkt anses for at være udelukket, hvis antallet af forventede SUSY begivenheder i den optimale signal regionen overstiger den observerede 95% konfidensniveauøvre grænse for nye fysik begivenheder i denne signal region. Resultaterne af den forenklede model udelukkelse sammenlignes med nul-lepton udelukkelse uden systematisk usikkerhed på signalet, som beskrevet tidligere i fig. 9. Fire forenklede model udelukkelses kurver er vist, svarende til ligningerne 1 og 3-5. I forhold til den nul-lepton udelukkelse grænse, den mest konservative forenklede model tilgang gør temmelig dårligt i regionen er domineret af qtildegtilde og weakino tilhørende produktion, mangler den rigtige grænse med op til ~ 100 GeV. Dette er også til dels på grund af den relativt komplicerede henfald af gluino (jvf. det store antal åbne tilstande i figur 3). Dækningen er meget tættere på den sande grænsefor regionen domineret af qtildeqtilde og gtildegtilde produktion, som den forenklede model afledt grænse er inden for 40 GeV den sande grænse.

Denne recept udelader behandling af teoretiske usikkerhed på signalet model. I virkeligheden, i øjeblikket LHC eksperimenter ikke behandler disse usikkerheder på en ensartet måde, er heller ikke alle de usikkerheder inkluderet. Ingen eksperiment, for eksempel, omfatter enhver usikkerhed i beregningen af ​​synlige masserne fra tarmen skala parametre. De begrænsninger, thpå præsenteres her, bør derfor forventes at afvige fra de offentliggjorte grænser. I figur 10 er de offentliggjorte ATLAS udelukkelses grænser i nul-lepton kanal i forhold til dem, der opnås her uden nogen systematisk usikkerhed på signalet. Grænsen uden signal usikkerheder er klart højere end den offentliggjorte grænse. For den resterende del af papiret, vil grænsen uden systematiske usikkerheder på signalet tages som den "rigtige svar" at være ankommet ved hjælp af forenklede modeller. Den teoretiske usikkerhed kan føjes til begge på samme måde, og vil påvirke begge grænser i omtrent samme måde.

For at skildre resultaterne opnås med nuværende ressourcer så præcist som muligt, er forenklet model point genereret på et gitter, der svarer nogenlunde til den, der allerede er i brug af ATLAS-eksperimentet 17. Mellem disse punkter er Aε interpoleret i todimensionale msquark / m gluino = m LSP nettet. Fordi SM 3 og SM 4 er tredimensionelle gitre, og fordi det er usandsynligt, at eksperimenter vil give fuld tredimensional Aε er tre værdier af mellemliggende chargino masse bruges: m chargino = x × (m squark / gluino - m LSP) + m LSP x = 0,25, 0,5 og 0,75. At interpolere mellem disse tre todimensionale fly, er en simpel kvadratisk pasform anvendes. Når man nærmer sig grænserne for m LSP = m chargino og m squark / gluino, henfaldsprodukterne tilstande naturligt slukke, hvilket gør mere kompliceret interpolation unødvendig.

Fra at sammenligne de udelukkelses-kurver, kan man faktisk se, at en konservativ udelukkelse grænse indstilles med Eq. 1 følger grænsen "korrekt" udelukkelse ganske godt i områder af fase rummet, der er godt dækket af forenklet tilstandls (jf. figur 5). I områder, der ikke er så godt dækket, Eq. 3 stadig giver en konservativ grænse. Den aggressive grænse, som Eq. 5 overvurderer udstødelse op til 40 GeV i squark-dominerede region og efter op til 100 GeV i gluino-dominerede region i fase rummet, fordi den antagelse, at de lange gluino henfaldskæder er godt modelleret af de kortere kæder af forenklede modeller er ugyldig på et vist niveau. Med hensyn til parameter-rum dækning, de konservative grænser under-cover med 20%, de midterste to grænser under-cover med 10%, og den aggressive grænse over-covers med 10%. Naturligvis ville udvide ordbogen af forenklede modeller til rådighed forbedre den konservative grænse og reducere aggressiv grænse mere korrekt Aε er inkluderet for flere produktionslinjer og forfald modes. Men selv med denne lille antal af forenklede modeller, den konservative grænser sæt er tæt på "rette" resultat.

For demonstrative formål er grænser også placeret på en MSUGRA signal region ved høje tan β. Grænserne er vist i figur 11.. Baseret på den aftale observeret i figur 10, bør den eksperimentelle udelukkelse ligge lidt ud over udelukkelsen fastsat af Eq. 3.

Ved at ekstrapolere til mere eksotiske teorier, eller endda i at udvide anvendelsen af ​​en lille liste over forenklede modeller til at Susy teorier kan flere tilnærmelser ske:

  1. At tunge smag jetfly er identiske med let smag dyser til søgninger, der ikke omfatter smag tagging;
  2. At fotoner er identiske med dyser til søgninger, der ikke kan identificere sig fotoner;
  3. At mere end halvdelen af tiden, chargino (neutralino) henfalder til LSP via udsendelse af en W-boson (Z-boson) producere en signatur funktionelt identisk med gluino henfalder via emission af to kvarker.
t "> Disse tilnærmelser er fysisk godt motiverede og bør resultere i begrænsninger, der stadig er i overensstemmelse med de fuldstændige forsøgsresultater.

Figur 1
Figur 1.. Venstre offentligheden Aε for ATLAS tre jet "løs" one-lepton signal område 17. Right, det samme gengivet i MadGraph + Pythia + PGS setup bruges her. Nogle forskelle kan forventes fra de forskellige producenter og højere statistikker, der anvendes her, men de to følger hinanden nøje. Klik her for at se større figur .

19/50419fig2highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50419/50419fig2.jpg "/>
Figur 2. Forgrening nøgletal for SUSY produktions mekanismer og henfald tilstande i MSUGRA parameter rummet. Den øverste række (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 plads, der er domineret af squark produktion, og den nederste række (m 0 = 1.000 GeV, m 1/2 = 350 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ > 0) er typisk for regionen i parameter rummet liggende lidt i mellem de to yderpunkter. For overskuelighedens skyld er produktion og henfald tilstande kun på listen, hvis deres forgrening fraktion er større end 0,5%. Etiketterne "SM" med en række gives til henfald tilstande svarende til de forenklede modeller, der drøftes i modellen genopbygning protokollen.les/ftp_upload/50419/50419fig3large.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større figur.

Figur 3
Figur 3. Forgreningsforhold til SUSY produktions mekanismer og henfald tilstande i MSUGRA parameter rummet. Den øverste række (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 500 GeV, tan (β) = 25, A 0 = 1.500 GeV, og μ> 0) er typisk for regionen i parameter plads, der er domineret af squark produktion, og den nederste række (m 0 = 2.100 GeV, m 1/2 = 100 GeV, tan (β) = 45, A 0 = 500 GeV og μ> 0) er typisk for regionen domineret af gluino produktion. For overskuelighedens skyld er produktion og henfald tilstande kun på listen, hvisderes forgrening fraktion er større end 0,5%. Etiketterne "SM" med en række gives til henfald tilstande svarende til de forenklede modeller, der drøftes i modellen genopbygning protokollen. Modellerne i de hvide områder havde ingen begivenheder beskrevet af forenklede modeller, med begrænsede Monte Carlo statistik. Klik her for at se større figur .

Figur 4
Figur 4.. Variation af forgreningsforholdene, i procent, af de vigtigste SUSY produktion og henfald tilstande i MSUGRA parameter rummet med tan (β) = 10, A 0 og μ> 0. Den øverste højre hjørne, hvor de stærke sparticles er tung, indeholder en betydelig contr ibution fra weakino produktion. Modellerne i de hvide områder havde ingen begivenheder beskrevet af forenklede modeller, med begrænsede Monte Carlo statistik. Klik her for at se større figur .

Figur 5
Figur 5.. Den procentdel af MSUGRA hændelser klassificeret som tilhørende en af de fem forenklede modeller, der behandles i dette papir, for lav-tan (β) (til venstre) og high-tan (β) (til højre). Klik her for at se større figur .

419fig6highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50419/50419fig6.jpg "/>
Figur 6.. Kinematik en squark-produktion-dominerede MSUGRA punkt (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 600 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ> 0) og et sæt fem forenklede modeller bygget ved hjælp af den samme masse spektrum. uret fra øverst til venstre, der fører jet p T, der fører muon p T, effektiv masse, og manglende tværgående energi. Ingen valgsignal er blevet anvendt. Klik her for at se større figur .

Figur 7
Figur 7.. Kinematik en squark-produIndsatsen-dominerede MSUGRA punkt (m 0 = 300 GeV, m 1/2 = 600 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ> 0) og et sæt af fem forenklede modeller bygget ved hjælp af den samme masse spektrum. uret fra øverst til venstre, der fører jet p T, der fører muon p T, effektiv masse, og manglende tværgående energi. Et udvalg signal svarende til den ene-lepton fire-jet "tight" ATLAS SUSY søgning er blevet anvendt. Klik her for at se større figur .

Figur 8
Figur 8. Kinematik et kompleks MSUGRA punkt (m 0 = 1.000 GeV, m 1/2 =350 GeV, tan (β) = 10, A 0 = 0 GeV, og μ> 0) og et sæt af fem forenklede modeller bygget ved hjælp af den samme masse spektrum. Uret fra øverst til venstre, der fører jet p T, der fører muon p T , effektiv masse, og manglende tværgående energi. Et udvalg signal svarende til den ene-lepton fire-jet "tight" ATLAS SUSY søgning er blevet anvendt. Klik her for at se større figur .

Figur 9
Figur 9.. Kombineret nul-lepton udelukkelses grænser for MSUGRA modeller med tan β = 10, A 0 = 0 og μ> 0 (10a) i sammenligning med grænseværdien udelukkelseopnås ved anvendelse af forenklede modeller (10b). Signalet region yde den bedste forventede grænse er taget for et givet punkt i parameter rummet. Den forventede 95% konfidensniveau grænse vises som en stiplet blå linje, og den observerede grænse er vist som en solid rød linje. Resultater fra tidligere søgninger er også vist med henblik på sammenligning 42-48, selv om nogle af disse grænser er blevet fremstillet under anvendelse af lidt forskellige parameter valg. De forenklede model grænser genereres ved hjælp af fire forskellige sæt af forudsætninger, der svarer til de grænseværdier ligninger i hovedteksten. Klik her for at se større figur .

Figur 10
Figur 10. Kombineret nul-lepton udelukkelses grænser forMSUGRA modeller med tan β = 10, A 0 = 0 og μ> 0 16 (venstre) sammenlignet med udelukkelse grænse opnås ved PGS og uden en systematisk usikkerhed på signalet. Signalet region leverer den bedste forventede grænse er taget for en givet punkt i parameter rummet. Den forventede 95% konfidensniveau grænse vises som en stiplet blå linje, og den observerede grænse er vist som en solid rød linje. Resultater fra tidligere søgninger er også vist til sammenligning 42-48, selv om nogle af disse grænser blev produceret ved hjælp af lidt forskellige parameter valg. Klik her for at se større figur .

Figur 11
Figur 11.. Udelukkelseskriterier grænser 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 (til højre) opnået ved hjælp af forenklede modeller . Kombinerede grænser opnås ved anvendelse af signalet region, der frembringer den bedste forventede grænse på hvert punkt i parameter rummet. De forenklede model grænser genereres ved hjælp af fire forskellige sæt af forudsætninger, der svarer til de grænseværdier ligninger i hovedteksten. Klik her for at se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Anvendelsen af ​​forenklede model grænser til at producere en udelukkelse kontur i en helt ny fysik model er blevet demonstreret. Trods den tilsyneladende kompleksitet MSUGRA parameter space point kinematik kan godt gengives ved en kombination af kun et lille antal af forenklede modeller. Den kinematiske aftale er yderligere forbedret, når man ser inden for en bestemt signal region, da de søgninger hidtil udført ved LHC tendens til at favorisere forenklet model-lignende event topologier med et (relativt) lille antal højt p T objekter.

Udelukkelsen konturer stammer fra simplificerede modeller tåler sammenligning med dem, der allerede er offentliggjort med dedikerede søgninger. Med denne fremgangsmåde er det muligt at trivielt omarbejde eksklusionskriterier resultater i mere eksotiske SUSY teorier, eller endda i nonSUSY teorier med underskrifter der er omfattet af forenklede modeller. Denne metode derudover giver en enkel vej til bevarelse af data ennd anvendelse af de nuværende søgninger fremtidige teorier.

Praktisk, denne tilgang betyder en væsentlig ressource besparelse for LHC eksperimenter og en stor fordel for LHC teoretikere og fænomenologerne. Ved at omarbejde teorier ved hjælp af oplysninger fra matrix element og forfald sandsynligheder, må ingen computing-intensive simulering af modellen skal gøres. I stedet forsøgene er fri til at ligefrem give eksklusionskriterier resulterer i en lang række teoretiske modeller, der omfatter - men måske ikke helt er omfattet af - simple endelige tilstand signaturer. Tilsvarende behøver ikke vente på LHC eksperimenter for at producere grænser i deres foretrukne model teoretikere. Selvom de forenklede modeller ikke kan dække alle de produktionsenheder og forfald transportformer en model, med et relativt lille antal af forenklede modeller, er det muligt at dække en forholdsvis bred vifte af muligheder. De udelukkelser erhvervet på denne måde, ikke præcist overlapper resultaterne af en komplet erfaringermental søgning. I den nuværende LHC søgningen æra, men de giver en kritisk og overraskende præcis estimering af hvor meget teori plads er allerede blevet udelukket af de allerede gennemførte søgninger, og hvor meget kan stadig være åben for opdagelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne er begge medlemmer af ATLAS Collaboration. Men ingen ATLAS interne ressourcer, penge eller andet, blev brugt i færdiggørelsen af ​​dette arbejde.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke Jay Wacker for betydelig diskussion af forenklede modeller og potentielle faldgruber. Mange tak også til Max Baak og Till Eifert for konstruktiv kritik og opmuntring, når det var nødvendigt. Takket være CERN Summer Student Program til at gøre dette samarbejde er muligt.

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

Fysik højenergifysik partikel fysik supersymmetri LHC ATLAS CMS New Physics Limits forenklet Modeller
Fastsættelse af grænseværdier for Supersymmetri Brug simplificerede 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