Searching for a supersymmetry (SUSY) and extra dimensions with degenerate mass spectrum in collision at a center-of-mass energy of 7 TeV is presented. This search is based on 4.7 fb(−1) of data collected by ATLAS experiment and Large Hadron Collider (LHC).

This analysis focuses on "degenerate model" with the mass difference of ∆m/m~5-30% where m is mass for the heaviest particle and ∆m is mass difference between the mass of the initially produced colored particles and the lightest particle in the model. So far, the SUSY searches are targeting models with large mass difference as ∆m/m~80% and the analyses do not have sensitivity to such degenerate model. In this analysis, the degenerate SUSY model and universal extra dimensions (UED) model are searched for by optimizing the event selection. The UED model has a similar mass spectrum to those of SUSY models and is characterized by three parameters; compactification scale 1/R, cut-off scale Λ and Higgs boson mass, so that the analysis for the degenerate model are optimized to both signal models.

The final state of such degenerate model is characterized by leptons and jets with low transverse momentum (soft leptons and soft jets) due to small mass difference, a large missing transverse energy from the lightest neutral particles and an additional high transverse momentum jet derived from initial state radiation. Analyses in a high transverse momentum lepton channels optimized to general SUSY models are combined with this analysis to improve the sensitivity to the degenerate models.

The results show that the observed data are consistent with the background expectations in each signal region. In absence of an excess, 95% confidence level exclusion limits are set for the simplified SUSY model and UED model. The gluino pair production of simplified SUSY model is excluded in degenerate mass region where the mass of gluino mg and the lightest SUSY particle m_LSP are approximately below 540 GeV and 450 GeV, respectively. The UED model is also excluded below 840 GeV in 1/R space with ∆R = 5.

本論文は10章からなる。

第1章では、本論文の導入としてその研究対象である素粒子の標準理論を越える新しい物理の有力な候補とされている超対称性理論、余剰次元理論について述べられている。

第2章では本研究が行われる以前、2011年夏の時点におけるLHC実験での超対称性粒子探索の現状について言及している。当時一般的に行われていた解析は超対称性粒子の質量が縮退するパラメータ領域においてそれほど探索感度が高くなかった。これが本研究において質量が縮退する領域に感度が高い解析手法を確立し探索を行う動機となった。また余剰次元理論ではその質量スペクトルが縮退する傾向が高いため、本研究では超対称性理論だけでなく余剰次元理論の探索も行われた。本章ではさらに質量が縮退したモデルにおける信号の特徴が検討され、エネルギーの低い単一レプトン、エネルギーの低いジェット、大きな横方向運動量を持ったリーディングジェット、大きな横方向消失エネルギーという条件を課す新しい探索手法を確立するに至った経緯が述べられている。コントロール領域での背景事象の評価方法、信号領域での信号強度評価方法などの概要も述べられている。

第3章ではLHCアトラス検出器について簡単にまとめられている。

第4章では解析に使用したデータについて述べられている。使用したデータは2011年に√s=7TeVで取得された4.7fb(-1)分のデータである。さらに解析に使用した信号および背景事象のモンテカルロシミュレーションサンプルについても詳細に述べられている。

第5章では解析に用いられたオブジェクト、変数の定義について述べられている。

第6章では解析に用いられた事象選択、特に本解析の主要な解析チャンネルである低エネルギーレプトンチャンネルにおける事象選択の最適化について詳細に述べられている。さらに本解析によって探索される超対称性、余剰次元理論の予想パラメータ領域についても述べられている。

第7章では背景事象の見積もりについて詳細に述べられている。主要な背景事象であるW+jets, tt事象はcontrolサンプルを用いてスペクトル形状やnormalizationの適切な補正を行った上で信号領域での背景事象数を見積もっている。次に重要なMulti-jet背景事象についてはマトリックス法を用いてデータから見積もっている。見積もりは信号領域、W+jets, tt事象のcontrol領域の各領域で行われた。すべての背景事象の見積もりはvalidation領域でその妥当性を詳細にチェックしている。

第8章では主要な系統誤差について詳細な議論がなされている。

第9章では信号領域における探索結果が述べられている。残念ながら信号領域のフィットにおいて期待背景事象からの有意な超過は見られなかった。超対称性理論および余剰次元理論のパラメータスペースにおける単一レプトン解析によるによる新たな排除領域が示された。特に論文提出者が提案し主体的に行った低エネルギー単一レプトン解析により、超対称性理論においては質量縮退領域で排除領域を拡大、余剰次元理論でも大幅にパラメータ領域を拡大することに成功している。

また論文提出者はAppendix Dで述べられているようにタイルカロリメータの電磁エネルギースケールの較正についても大きな貢献があったことも付記する。

本研究は、LHCアトラスコラボレーション内での共同研究であり他の研究と合わせて、Phys.Rev.D 86, 092002(2012)として公表されている。その中で論文提出者は特に低エネルギー単一レプトン解析を独自に提案、主体的に解析を行っておりその寄与は十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できるものと認める。