Impostazione dei limiti di Supersimmetria utilizzando modelli semplificati

Una delle estensioni più promettenti del Modello Standard, la supersimmetria (SUSY) ^1-14, è il fulcro di molte ricerche per gli esperimenti LHC al CERN. I dati raccolti nel 2011 sono già sufficienti a spingere i limiti della nuova fisica oltre a quelle di qualsiasi collider precedente ^15-22. Poiché i nuovi dati arrivano e le esclusioni sono spinti ancora più lontano, sarà sempre più importante comunicare chiaramente alla comunità della fisica quali regioni del vasto spazio dei parametri supersimmetrica sono stati esclusi. Limiti di corrente sono in genere impostate vincolati piani bidimensionali, che spesso non rappresentano la diversa disposizione SUSY spazio dei parametri e sono difficili da capire come limiti masse fisiche o frazioni di diramazione. Un grande insieme di modelli semplificati ^{23, 24} sono stati proposti per aiutare nella comprensione di questi limiti, ed entrambi ATLAS e CMS hanno fornito risultati esclusione per diversi di questi modelli ^15-20.

Questo documento dimostra l'applicazione di queste esclusioni modello semplificato di un modello completo di nuova fisica con l'esempio della supergravità minima (MSUGRA, noto anche come il CMSSM) ^25-30. Questo modello viene scelto per comparare i limiti stabiliti utilizzando modelli semplificati a quelle pubblicate indipendentemente dagli esperimenti. La procedura è sufficientemente generico per essere estensibile a qualsiasi nuovo modello fisico (NPM). Poiché questo rappresenta il primo tentativo di "chiudere il cerchio" e impostare limiti SUSY utilizzando modelli semplificati, una serie di ipotesi circa l'applicabilità dei limiti su particolari modelli semplificati sono esplorati, con conseguente ricette per la definizione di limiti conservatori e aggressivi sulle teorie che hanno non sono stati esaminati dagli esperimenti di LHC.

Per impostare un limite in una NPM, sono necessari tre operazioni distinte. In primo luogo, il NPM deve essere decostruita nei suoi elementi costitutivi, separando i vari produttoriModalità ction e modi di decadimento per tutte le nuove particelle nel modello. In secondo luogo, una serie di modelli semplificati deve essere scelto per ricreare la cinematica e topologie di eventi rilevanti nella NPM. In terzo luogo, i limiti disponibili su tali modelli semplificati devono essere combinati per produrre limiti alla NPM. Queste tre procedure sono descritte nel protocollo. Alcune approssimazioni supplementari sono forniti anche che possono ampliare l'applicabilità dei modelli semplificati già a disposizione di una più ampia gamma di topologie di eventi.

Un NPM completa genere comporta molti modi di produzione e molte possibili decadimenti successivi. La decostruzione di nuovi modelli di fisica nelle loro componenti e l'applicazione dei limiti di modello semplificato ai componenti permette la costruzione di una esclusione limitano direttamente. Per qualsiasi regione segnale, il limite più conservativa può essere impostato utilizzando la frazione produzione P _{(a, b)} (dove a, b rappresenta il modello semplificato spamodalità di produzione Articolo) di eventi identiche a un modello semplificato i e la frazione di diramazione per le sparticelle prodotti di decadimento nel modo descritto dal modello † semplificato, BR _{un → i} x BR _{b → i.} Il numero atteso di eventi in una determinata regione segnale da queste semplici topologie può essere scritta come

dove la somma è superiore a modelli semplificati, σ _tot è la sezione d'urto totale per il punto NPM, _int L è la luminosità integrato utilizzato nella ricerca, e AE _{a, b → i} è l'accettazione volte efficienza per gli eventi semplificate del modello nel regione segnale che viene considerato. Questo numero può essere confrontato con il limite massimo del 95% livello di confidenza atteso il numero di nuovi eventi di fisica to selezionare l'area di ricerca ottimale. Il modello può essere esclusa se ​​N è maggiore del numero osservato di nuovi eventi fisica esclusi al livello di confidenza del 95%. Esclusioni nelle regioni sovrapposte possono essere combinati se le informazioni circa le correlazioni delle loro incertezze è disponibile. Se questa informazione non è disponibile, la regione segnale migliore o analisi che fornisce il miglior limite previsto possono essere utilizzati per tentare di escludere il modello.

Per costruire i limiti concreti con questo metodo, la Aε per vari modelli semplificati deve essere resa disponibile dagli esperimenti di LHC. Sia il CMS e ATLAS hanno pubblicato cifre con la Aε per diversi modelli, e alcuni dei dati sono disponibili nella banca dati HepData ^31. Al fine di dimostrare il valore di pubblicare tutti questi tavoli, riteniamo che sia importante stabilire limiti concreti che sono paragonabili a quelli già pubblicati. Quindi usiamo (e descrie nel protocollo come un passo opzionale) una simulazione rivelatore veloce per emulare l'effetto del ATLAS o CMS detector. Il Aε derivato dal Pretty Good Simulation (PGS) ³² viene confrontato con quello pubblicato da ATLAS in una griglia modello semplificato in Figura 1. Questi risultati sono sufficientemente vicini l'uno all'altro (entro circa il 25%) che, invece di attendere che tutti i risultati siano pubblici, risultati Aε per i restanti griglie si ottengono utilizzando PGS ed utilizzati direttamente nel resto di questo documento. Poiché il numero di disponibili pubblicamente modello semplificato risultati Aε cresce, la necessità di tali approssimazioni dovrebbe essere significativamente ridotto.

Due ipotesi conservative consentono l'inserimento di un maggior numero di modi di produzione e decadimento del limite. Il primo è che per la produzione associata la Aε sperimentale è almeno alto come la Aε per il peggio delle due modalità di produzione. PerRicerche compreso, questo è generalmente un buon presupposto. Il numero minimo di eventi previsto sarebbe allora

dove la prima somma corre su tutte le modalità di produzione, e solo quelli in cui A e B sono esattamente quelle particelle dal modello semplificato sono inclusi in Equazione 1. Allo stesso modo, la Aε per decadimenti con diverse gambe può presumere di essere almeno alto come la Aε per il peggio delle due gambe. Cioè,

dove sono ora inclusi diagrammi con diversi decadimenti su entrambi i lati.

Due ulteriori ipotesi consentirebbero l'impostazione di strLimiti icter. Si può supporre che la Aε sperimentale per tutti i modi di produzione in teoria è simile al Aε media per le modalità di produzione oggetto modelli semplificati. In tal caso, il numero atteso di eventi può invece essere scritto come

dove le somme sono entrambi sopra solo i modi di produzione coperti da modelli semplificati. Si può inoltre supporre che la Aε per tutti i modi di decadimento in teoria è simile al Aε medio di tali eventi coperti dalle topologie modello semplificato. Poi il numero atteso di eventi può essere scritta come:

dove agadelle somme gestite solo su modelli semplificati. Chiaramente, il limite MSUGRA più aggressivo viene fornito in base a questo assunto, e un limite impostato in questo modo rischia di rivendicare esclusione per le regioni che non sarebbero, infatti, essere escluse a un livello di confidenza del 95% da una ricerca dedicata. Anche se la precisione di questi due approssimazioni potrebbe essere sospetto, se la cinematica degli eventi inclusivi dei modelli semplificati reggono bene il confronto a un punto di spazio dei parametri SUSY completo, possono non essere irragionevole.

† Alcuni modelli semplificati ora utilizzato a LHC includono produzione associata. Anche se non esplicitamente qui discusso, le equazioni possono essere banalmente estese per consentire questo caso.