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LHC RUN-I对SUSY的限制以及ATLAS Z-PEAK超出迹象的研究

尚亮亮  
【摘要】:在粒子物理学中标准模型是迄今为止最成功的模型,许多实验观测数据都与它的理论预言相吻合。并且在历史上,通过蕴含在其中的对称性预言的顶夸克、希格斯粒子等也相继被实验发现。但是,标准模型并不是终极理论,它自身仍然存在着一些问题。例如,126GeV附近类标准模型希格斯粒子的发现,完善了标准模型的理论框架,解释了质量起源:通过希格斯场自发对称性破缺使得粒子获得质量。但是,随之而来的问题是,标准模型自身不能解释为什么这个粒子的质量在126GeV附近。除此之外,标准模型不能把几种基本的相互作用统一到一起,不能为占据宇宙组分约21%的暗物质提供合适的候选者。为了解决上述问题,物理学家提出了各种各样的新物理模型,超对称模型(SUSY)是目前被研究最为广泛的模型。物理学家迫切地希望通过实验可以验证超对称的存在,即观测到超对称粒子。自从大型正负电子对撞机LEP开始运行,物理学家开始寻找超对称粒子。但是目前实验上没有观测到超对称粒子,于是给超对称模型带来了实验限制,比如LEP的实验结果要求Chargino粒子的质量必须大于O(100GeV)。随着2010年大型强子对撞机LHC成功运行、取数,人们期望能够通过数年的运行找到新物理。在LHC运行的第一期阶段(LHC Run-I)已经有重大成果,即发现质量在126GeV附近的类标准模型希格斯粒子。但是,除此之外并没有发现任何超出标准模型的物理存在。实验上没有发现超粒子,给超对称理论带来了很强的限制。LHC Run-I实验结果已经把胶微子Gluino的质量排除到了O(1TeV),Stop和Sbottom的质量排除到了O(600GeV),电弱超对称粒子的质量排除到了O(300GeV)。在大型强子对撞机LHC上寻找超对称粒子信号的常用动力学变量包括HT和meff'它们用于区分超对称信号和标准模型背景。其中,HT指的是所有观测到的粒子的横向动量的标量和,meff=HT+ETmiss,ETmiss代表丢失能量。HT通常表示末态母粒子的质量,变量meff对于超对称信号主要分布在超对称标度,而对于标准模型背景则分布在较低的标度,所以可以利用HT和meff区分超对称信号和标准模型背景。除此之外,可以要求信号中包含轻子或者光子,进一步压低标准模型多jets背景。在过去几年,一些复合型变量被提出和发展,它们与重超对称粒子(质量在1TeV附近)衰变过程的运动学息息相关,增加了对重超对称粒子产生过程的敏感性,进一步压低了标准模型多jets背景,这些变量包括αT,razor,mT2,mT2W和mCT等。尽管LHC Run-Ⅰ阶段没有发现新粒子(指新物理信号超出标准模型背景在5σ或以上),但是仍然发现了一些新物理的迹象存在(指新物理信号超出标准模型背景在3σ左右),比如ATLAS实验组在Z玻色子质量附近发现的超出迹象。对此,我们利用次最小超对称模型,通过前两代Squark对的产生解释了ATLAS实验组观测到的Z-peak超出迹象,要求Squark的级联衰变q→qX2-0→qZX1-0中分支比分别接近100%。接近100%的分支比要求x10以singlino为主,x20以bino为主。除此之外要求质量谱比较紧致,从而满足LHC Run-Ⅰ阶段其他实验结果。目前LHC Run-Ⅱ正在运行,它的质心能已经达到13TeV,于是超对称粒子的产生截面会被大幅抬高。因此,即使在运行初期积分亮度不太高的情况下,也会有比LHC Run-Ⅰ更显著的现象出现,我们期待着在LHC Run-Ⅱ阶段有令人振奋的结果出现。


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