[論文レビュー] An improved mass reconstruction technique for a heavy resonance decaying to $ au^+ au^-$

L. Xia|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、重い共鳴状態が $\tau^+\tau^-$ に崩壊する場合の質量再構築技術を提案し、未知の自由度を8つから4つに削減する。この手法では、非可視運動量の大きさ $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ と可視・非可視崩壊生成粒子の質量 $m_{\text{vis}}, m_{\text{inv}}$ のみを用い、モンテカルロシミュレーションによりこれらの変数をサンプリングし、尤度が最大となる質量を選択することで、名目質量に対して14%の質量分解能を達成する。従来の手法とは異なり、ニュートリノ運動量の仮定や複雑な方程式の解法に依存せず、優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

For a resonance decaying to $ au^+ au^-$, it is difficult to reconstruct its mass accurately because of the presence of neutrinos in the decay products of the $ au$ leptons. If the resonance is heavy enough, we show that its mass can be well determined by the magnitude of the momentum of the invisible decay products, $|\vec{p}_{inv}|$, and the mass of the visible/invsible decay products, $m_{vis/inv}$, for $ au$ decaying to hadrons/leptons (4 unknowns in total). We do not need to know all the components of $\vec{p}_{inv}$s and $m_{vis/inv}$s (8 unknonws in total). By sampling all kinematically allowed values of $|\vec{p}_{inv}|$ and $m_{vis/inv}$ according to their distributions in the MC simulations, the mass of the mother resonance is assumed to lie at the postion with the maximal probability. This new mass reconstruction technique inherits the similar idea from the Missing Mass Calculator Technique (MMCT). It has a better performance, since it neither relies on the assumption that only the neutrinos from the tau leptons contribute to the missing transverse energy, nor requires to solve a set of equations. The method is tested using the MC simulations of the reaction $pp o Z/h(125)/h'(750) o au au$ at 13~TeV. The reconstructed mass resolution divided by the nominal mass is found to be about 14\%.

研究の動機と目的

• ニュートリノが崩壊生成物に含まれるため運動量バランスが不明瞭となる重い共鳴状態が $\tau^+\tau^-$ に崩壊する場合の正確な質量再構築の課題に対処すること。
• 実験的データでは実現不可能な非可視ニュートリノの全運動量再構築に依存するのを軽減すること。
• 特に高質量共鳴状態において、従来の手法（例：Missing Mass Calculator Technique, MMCT）よりも優れた分解能を達成すること。
• 非可視横方向エネルギーへのニュートリノ寄与に関する仮定を避け、方程式系の解法を排除する手法を構築すること。

提案手法

• 本手法は、未知の自由度を8つから4つに削減するため、非可視運動量の大きさ $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ と質量 $m_{\text{vis}}$、$m_{\text{inv}}$ のみを運動量変数として用いる。
• モンテカルロシミュレーションの分布に基づき、$|\vec{p}_{\text{inv}}|$ と $m_{\text{vis/inv}}$ のすべての運動的に許容される値をサンプリングする。
• 観測された運動量配置の尤度を最大にする質量値を、共鳴状態の質量として特定する。
• Missing Mass Calculator Technique (MMCT) のコアアイデアを継承するが、ニュートリノ運動量に関する仮定を排除し、方程式の解法を不要にすることで改善を図る。
• 13 TeVの $\sqrt{s}$ における $pp \to Z/h(125)/h'(750) \to \tau^+\tau^-$ のモンテカルロシミュレーションを用いて手法の妥当性を検証する。
• 共鳴状態の質量は、サンプリングされた変数から導かれる確率分布のピークに位置すると仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全ニュートリノ運動量再構築に依存しないことで、重い共鳴状態が $\tau^+\tau^-$ に崩壊する場合の質量再構築精度が向上するか？
• RQ2 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ と $m_{\text{vis/inv}}$ のみを変数として用いることで、従来の手法よりも優れた質量分解能が得られるか？
• RQ3 $\tau$ ニュートリノのみが非可視横方向エネルギーに寄与すると仮定するのを排除することで、再構築性能がどの程度向上するか？
• RQ4 複雑な方程式系の解法を回避しつつも、高精度な質量再構築を維持できるか？
• RQ5 本手法を用いることで、高質量 $\tau^+\tau^-$ 共鳴状態の再構築で達成可能な質量分解能はどの程度か？

主な発見

• 提案手法は、名目共鳴質量に対して約14%の再構築分解能を達成する。
• 非可視横方向エネルギーへの $\tau$ ニュートリノのみの寄与という仮定を排除しており、より高いロバスト性を有する。
• 方程式系の解法を回避することで、実装が簡素化され、計算コストも低減される。
• モンテカルロ分布から $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ と $m_{\text{vis/inv}}$ をサンプリングすることで、共鳴状態質量の運動的尤度を効果的に捉える。
• 未知の自由度を8つから4つに削減することで、従来手法よりも精度が向上する。
• 13 TeVにおける $pp \to Z/h(125)/h'(750) \to \tau^+\tau^-$ のシミュレーションで手法の妥当性と性能が確認された。