Définition des limites sur la supersymétrie l'aide de modèles simplifiés

Résumé

Cet article démontre un protocole de refonte des limites des modèles simplifiés expérimentales dans des limites conservatrices et agressifs sur un nouveau modèle de la physique arbitraire. Publiquement disponibles LHC résultats expérimentaux peuvent procéder à une refonte de cette manière dans les limites sur presque n'importe quel nouveau modèle de la physique avec une signature de la supersymétrie-comme.

Résumé

Limites expérimentales sur la supersymétrie et les théories similaires sont difficiles à définir en raison de l'énorme espace disponible sur le paramètre et difficile de généraliser en raison de la complexité de ces guichets uniques. Par conséquent, plus phénoménologiques, des modèles simplifiés sont de plus populaire pour fixer les limites expérimentales, car ils ont des interprétations physiques claires. L'utilisation de ces limites de modèles simplifiés de fixer une limite réelle sur une théorie concrète n'a cependant pas été démontrée. Ce document est une refonte des limites des modèles simplifiés dans des limites sur un modèle de la supersymétrie spécifique et complète, la supergravité minimale. Limites obtenues sous diverses hypothèses physiques sont comparables à celles produites par les recherches dirigées. Une ordonnance a été faite pour le calcul des limites conservatrices et agressifs sur les théories supplémentaires. Utilisation des tableaux d'acceptation et d'efficacité ainsi que les numéros attendus et observés de manifestations dans différentes régions de signaux, les résultats expérimentaux LHC peuvent être refondus dans cette machinenner dans presque n'importe quel cadre théorique, y compris les théories nonsupersymmetric avec des signatures de supersymétrie-comme.

Introduction

L'une des extensions les plus prometteurs du modèle standard, la supersymétrie (SUSY) ^1-14, est le point central de nombreuses recherches par les expériences du LHC au CERN. Les données recueillies en 2011 sont déjà suffisantes pour repousser les limites de la nouvelle physique au-delà de ceux de toute collisionneur précédente ^15-22. Que de nouvelles données arrivent et des exclusions sont poussés encore plus loin, il sera de plus en plus important de communiquer clairement à la communauté de la physique ce que les régions de l'espace étendu de paramètres supersymétrique ont été exclus. Les limites actuelles sont généralement fixés sur des plans en deux dimensions limitées, qui ne représentent souvent pas la diversité disponible espace des paramètres SUSY et sont difficiles à comprendre que les limites sur les masses physiques ou fractions de branchement. Un grand nombre de modèles simplifiés ^{23, 24} ont été proposés pour aider à la compréhension de ces limites, et les deux ATLAS et CMS ont fourni des résultats d'exclusion pour plusieurs de ces modèles ^15-20.

Cet article démontre l'application de ces exclusions de modèle simplifié à un modèle de la physique nouvelle complète en utilisant l'exemple de la supergravité minimale (mSUGRA, également connu sous le CMSSM) ^25-30. Ce modèle est choisi afin de comparer les limites fixées à l'aide de modèles simplifiés à celles publiées indépendamment par les expériences. La procédure est suffisamment général pour pouvoir être accordé à tout nouveau modèle de la physique (NPM). En ce qui représente la première tentative de «boucler la boucle» et fixer des limites sur SUSY utilisant des modèles simplifiés, un certain nombre d'hypothèses quant à l'applicabilité de limites sur certains modèles simplifiés sont explorées, résultant dans des recettes de l'établissement de limites conservatrices et agressifs sur les théories qui ont pas été examinée par les expériences du LHC.

Pour fixer une limite dans un mécanisme national de prévention, trois opérations distinctes sont nécessaires. Tout d'abord, le MNP doit être décomposé en ses éléments constitutifs, en séparant les différents producteursmodes ction et modes de désintégration de tous les nouveaux particules dans le modèle. Deuxièmement, un ensemble de modèles simplifiés doit être choisi de recréer la cinématique et les topologies d'événements pertinents dans le MNP. Troisièmement, les limites disponibles sur ces modèles simplifiés doivent être combinés afin de produire des limites sur la NGP. Ces trois procédures sont décrites dans le protocole. Quelques approximations supplémentaires sont également fournis qui peuvent élargir l'applicabilité des modèles simplifiés déjà disponibles à un plus large éventail de topologies d'événements.

Un mécanisme national de prévention complète implique généralement de nombreux modes de production et de nombreuses caries ultérieures possibles. La déconstruction de nouveaux modèles de physique dans leurs composants et l'application des limites des modèles simplifiés de ces composants permet la construction d'une exclusion limiter directement. Pour n'importe quelle région de signal, la limite la plus conservatrice peut être réglée en utilisant la fraction de production P _{(a, b)} (où a, b représente le modèle simplifié spamode de production Article) des événements identiques à un modèle simplifié i et la fraction de branchement pour les sparticules produites à la désintégration de la manière décrite par le modèle † simplifiée, BR _{a → i} x BR _{b → i.} Le nombre d'événements attendu dans une région donnée du signal de ces topologies simples peut alors s'écrire

où la somme porte sur des modèles simplifiés, σ _tot est la section totale pour le point NPM, L _int est la luminosité intégrée utilisée dans la recherche, et AE _{a, b → i} est l'acceptation fois l'efficacité pour les événements du modèle simplifié de la région du signal considéré. Ce nombre peut être comparé à la limite supérieure de niveau de confiance de 95% attendue sur le nombre de nouveaux événements de physique to sélectionner la zone de recherche optimale. Le modèle peut alors être exclue si N est plus grand que le nombre observé de nouveaux événements de la physique exclus au niveau de confiance de 95%. Exclusions dans les régions ne se chevauchent peuvent être combinés si les informations sur les corrélations de leurs incertitudes est disponible. Si cette information n'est pas disponible, la meilleure région de signal ou d'analyse qui fournit la meilleure limite attendue peuvent être utilisées pour tenter d'éliminer le modèle.

Afin de construire des limites concrètes de cette méthode, la Aε pour divers modèles simplifiés doit être mis à disposition par les expériences du LHC. La CMS et ATLAS ont publié des chiffres avec le Aε pour plusieurs modèles, et quelques-uns des chiffres sont disponibles dans la base de données HepData ^31. Afin de démontrer la valeur de la publication de toutes ces tables, nous pensons qu'il est important de prévoir des limites concrètes qui sont comparables à ceux déjà publiés. Par conséquent, nous utilisons (et décrivante dans le protocole comme une étape facultative) une simulation de détecteur rapide d'imiter l'effet de l'ATLAS ou détecteur CMS. Le dérivé de la Aε Pretty Good simulation (ES) ³² est comparée à celle publiée par ATLAS à une grille du modèle simplifié de la figure 1. Ces résultats sont suffisamment proches l'un de l'autre (dans environ 25%) qui, plutôt que d'attendre tous les résultats soient publiques, les résultats Aε pour les grilles restantes sont calculés à l'aide PGS et utilisés directement dans la suite de cet article. Comme le nombre de places publiquement modèle simplifié résultats Aε se développe, la nécessité de ces approximations doit être réduite de manière significative.

Deux hypothèses prudentes permettent l'inclusion d'un plus grand nombre de production et de désintégration des modes dans la limite. Le premier est que, pour la production associée Aε expérimental est au moins aussi élevée que la Aε pour le pire des deux modes de production. Pourrecherches inclusives, c'est généralement une bonne hypothèse. Le nombre d'événements minimum prévu serait alors

où la première somme porte sur tous les modes de production, et seulement ceux où a et b sont exactement les particules du modèle simplifié sont inclus dans l'équation 1. De même, la Aε pour désintégrations avec différentes jambes peut être considérée comme étant au moins aussi élevée que la Aε pour le pire des deux jambes. Autrement dit,

où diagrammes avec différentes désintégrations de chaque côté ont été inclus.

Deux autres hypothèses pourraient permettre la création de strlimites de ictère. On peut supposer que la Aε expérimental pour tous les modes de la théorie de production est similaire à la Aε moyenne pour les modes de production couverts par des modèles simplifiés. Dans ce cas, le nombre attendu d'événements peut être écrite comme la place

où les sommes sont à la fois plus que les modes de production couverts par des modèles simplifiés. On peut en outre supposer que la Aε pour tous les modes de désintégration dans la théorie est similaire à la moyenne Aε pour les événements couverts par les topologies de modèles simplifiés. Ensuite, le nombre d'événements attendu peut être écrite comme:

où agadans les sommes gérées uniquement sur les modèles simplifiés. De toute évidence, la limite la plus agressive mSUGRA est prévu dans cette hypothèse, et une limite fixée de cette manière risque de réclamer l'exclusion pour les régions qui ne seraient pas, en fait, être exclus au niveau de confiance de 95% par une recherche spécifique. Bien que la précision de ces deux approximations pourrait être suspect, si la cinématique d'événements compris des modèles simplifiés se comparent favorablement à un point de l'espace des paramètres SUSY complète, ils peuvent ne pas être déraisonnable.

† Certains modèles simplifiés utilisés aujourd'hui au LHC comprennent la production associée. Bien que n'étant pas explicitement discuté ici, les équations peuvent être trivialement étendu pour permettre ce cas.

Protocole

Une. Modèle déconstruction

1. Générer des événements de collision proton-proton couvrant un plan dans l'espace des paramètres du MNP. Toute configuration de générateur d'événements qui comprend une douche de parton et modèle de hadronisation peut être utilisé. Dans le cas de mSUGRA par exemple, les spectres de masse sont générés en utilisant Isasugra ^33, et les fractions de ramification et des largeurs de désintégration sont calculés en utilisant MSSMCalc ^34. Pour la génération de l'événement lui-même, MadGraph 5 1.3.9 ³⁴ avec CTEQ 6L1 fonctions de densité de parton ³⁵ est utilisé pour générer des événements matrice-élément, car il comprend un rayonnement supplémentaire dans l'élément de matrice, qui peut être important pour les petits scénarios masse de fractionnement. Pour imiter les choix des expériences LHC de générateurs leader ordre pour mSUGRA, le rayonnement supplémentaire dans l'élément de matrice de MadGraph est désactivé lors de la génération des événements mSUGRA. Pythie 6,425 ³⁶ est ensuite utilisé pour SUSY particules (sparticule) décroissance, parton douche,et hadronisation. Une large documentation pour l'un de ces programmes est facilement disponible sur le web.
2. Pour imiter un détecteur du LHC, passer les événements par PGS avec une carte de paramètre LHC-détecteur. Les cartes de détecteurs ATLAS et CMS inclus avec MadGraph 5 ³⁴ effectuer assez bien pour l'analyse de recherche de portée. Le cas échéant, les paramétrages d'identification et de performance des expériences rendues publiques par certaines analyses peuvent être utilisés. Idéalement, les expériences fourniront cartes complètes de l'acceptation et de l'efficacité pour un certain nombre de grilles de modèle simplifié, auquel cas ceux-ci peuvent être utilisés directement et cette étape est inutile.
3. Afin d'analyser rapidement les résultats, un format de données léger intermédiaire est souhaitable. Extraire les jets, les leptons stables, énergie manquante transverse, et d'autres objets de l'Etat-finale nécessaires à partir de la sortie PGS (par exemple en utilisant ExRootAnalysis ³⁴⁾ dans un format pratique est recommandée.
4. Pour to classer les résultats, une corrélation entre les résultats des épreuves PGS avec la partie de l'enregistrement de l'événement générateur nécessaire de classer la production de sparticule et modes de désintégration pour chaque événement. Garder la trace de toutes les masses de particules, les mécanismes de production et les chaînes de désintégration ainsi que leurs chiffres respectifs afin d'être en mesure de calculer leur fraction de ramification correspondant.
5. Calculer les meilleurs disponibles production calculs de section pour le modèle d'intérêt. Dans le cas de mSUGRA, avant-premier ordre des sections pour chaque point peut être calculée en utilisant Prospino 2.1 ³⁷ avec NLL-Fast ³⁸ en utilisant CTEQ 6.6 PDF NLO.

2. Modèle reconstruction

1. Sur la base de la répartition de la déconstruction modèle, choisir un dictionnaire de modèles simplifiés de manière à couvrir au moins 50% des modes de production et de la NGP désintégration ouvertes. En raison de la coupe chute rapide de la plupart des modèles de BSM avec la masse, un facteur de deux dans l'acceptation Typiment ne représente que 20-50 GeV à la limite, ce qui en fait suffisamment proche pour être dans les incertitudes expérimentales et théoriques. La plupart décroissance directe et modèles de désintégration en une seule étape, y compris les désintégrations off-shell/three-body, ont été considérés par les expériences du LHC. CMS a recueilli un certain nombre de résultats d'exclusion de modèle simplifié en un seul document ^21. Les deux ATLAS et CMS ont également examiné un certain nombre de gros-goût des modèles simplifiés. La liste complète des modèles n'a pas été rendu public en un seul endroit. Cependant, les résultats sont disponibles à partir de pages Web publics des deux expériences ^{39, 40.} Ce sont les modèles simplifiés qui doivent être choisis parmi la reconstruction du MNP.
2. Afin de tester la qualité de la couverture de modèle simplifié, comparer la cinématique de quelques points de la NGP représentatives de celles résultant des modèles simplifiés utilisés pour reproduire ce point. Pour un point de NPM donné, construire des modèles simplifiés pertinents avec lemasses appropriées.
3. Attribuer un poids à chaque type de modèle qui inclut la fraction de la production représentée par ce temps de modèle de la fraction simplifiée de branchement pour la décroissance représentée par ce modèle.
4. Pour la production associée, si seulement deux-production des modèles simplifiés sont considérés, diviser le poids entre les deux modèles simplifiés appropriés.
5. Il est recommandé d'appliquer un ensemble de simplifications physiquement motivés pour les topologies d'événements MNP afin de regrouper la production et la pourriture modes similaires.
6. Normaliser la somme des poids pour tous les modèles simplifiés à l'unité.
7. Calculer les distributions cinématiques pour les points représentatifs de la NGP en utilisant la procédure de génération d'événements décrit dans le protocole précédent.
8. Si la cinématique du point de NPM sélections de signaux typiques diffèrent de plus de σ (30%) de ceux des modèles simplifiés combinés, y compris des modèles simplifiés supplémentaires pour améliorer la production et la désintégrationcouverture l'espace des phases. Les divergences sur le niveau de 15% ont un impact négligeable sur les résultats finaux d'exclusion en raison de la baisse rapide des sections dans la plupart des nouveaux modèles de la physique.

3. Limiter la construction

1. Obtenir le Aε disponibles et pertinentes et à 95% la limite supérieure de niveau de confiance sur le nombre de nouveaux événements de physique pour les modèles simplifiés envisagées dans chaque région de signal expérimental qui peut être appliquée.
2. Appliquer les équations 1 et 3-5 pour la NPM d'intérêt à chaque point de l'espace des paramètres à déterminer en vertu de laquelle (le cas échéant) des hypothèses point est exclue.
3. Utilisez la limite fixée par la région de signal avec la meilleure performance attendue, à moins que les corrélations entre les incertitudes fond des régions de signaux sont disponibles afin que les régions puissent être correctement combinés ‡.
4. Avec la comparaison de la cinématique réalisée avec le protocole précédent et la propagation des contours d'exclusion, de déterminer la raESN dans lequel l'exclusion expérimental devrait se situer.

‡ À l'heure actuelle, aucune de ces corrélations sont disponibles.

Résultats

Après avoir appliqué la déconstruction étape de modèle à un point dans l'espace des paramètres de mSUGRA, une répartition de la production peut être mieux visualisé en comptant les différents modes pour chaque événement généré production et de décroissance et tracer les taux de production correspondants et la ramification des fractions selon l' les fréquences relatives. Les fractions de ramification pour les différents modes de représentation pour des points mSUGRA production et de désintég...

Discussion

L'application des limites des modèles simplifiés pour produire un contour d'exclusion dans un nouveau modèle complet de la physique a été démontrée. Malgré la complexité apparente de mSUGRA points de l'espace des paramètres, la cinématique peut être bien reproduits par une combinaison de seulement un petit nombre de modèles simplifiés. L'accord cinématique est encore améliorée lors de la recherche dans une région particulière du signal, depuis les recherches menées à ce jour au LHC o...