[論文レビュー] Determination of supersymmetric masses using kinematic fits at the LHC

C. Autermann, Benedikt Mura+3 more|ArXiv.org|Nov 13, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける完全ハドロン最終状態でのスピン対称性崩壊チェーンを再構築するための遺伝的アルゴリズムに基づく運動量適合手法を提示する。インヴァリアント質量制約と角度崩壊情報を利用することで、組み合わせ的バックグラウンドを低減する。この手法により、スキュアークとチルリンオ/ニュートラリノ質量の高精度再構築が可能となり、約45%の正しいジェット割り当てが達成され、系のバイアスがより高いセレクトロフェルミオン質量に向かう体系的バイアスを持つ確率マップが作成されるが、モンテカルロシミュレーションを用いて補正可能である。

ABSTRACT

In case of the discovery of supersymmetry at the LHC, the goal will be to identify the underlying theory, its fundamental parameters, and the masses of SUSY particles. We followed here the approach to reconstruct the decay chains in SUSY events under the assumption of common intermediate masses. These masses cannot be extracted from each event because of the unmeasured LSP momenta in case of R-parity conservation. But an ensemble of events can be over-constrained, if the decay chains are long enough, such that enough mass constraints are available. Here, we present a new method combining a) a SUSY mass scan, b) a kinematic fitting based on a genetic algorithm for decay chain reconstruction, and c) the usage of angular decay information to suppress the background from other SUSY processes. Taking into account the full combinatorial background and experimental resolutions in the most difficult case of the fully hadronic decay mode, we demonstrate, within one SUSY scenario, that this method can be used to derive a probability map of the SUSY parameter space.

研究の動機と目的

• R対称性保存型のLSPからの消失エネルギーを伴う状況下でも、完全な超対称性崩壊チェーンを再構築するためのロバストな手法の開発。
• 特に7つのジェットを伴う完全ハドロン崩壊モードにおける、高レベルの組み合わせ的バックグラウンドの課題に対処すること。
• 運動量の角度崩壊情報と実験的解像度効果を組み込むことで、質量決定の精度を向上させること。
• 運動量適合からの正則化された尤度を用いて、SUSYパラメータ空間の確率マップを作成すること。
• 初期状態および最終状態放射（ISR/FSR）とフル検出器効果を含む現実的なSUSYシナリオでの手法の妥当性の検証。

提案手法

• 複雑な崩壊チェーンにおける未測定粒子運動量と正しいジェット割り当てを同時に解くために、遺伝的アルゴリズムが用いられる。
• 運動量バランスと中間粒子のインヴァリアント質量から運動量制約が導かれるが、実験的不確実性も適合に組み込まれる。
• 正則化された尤度関数（個々のイベント尤度の対数の和）が定義され、SUSYパラメータ空間の確率マップの構築に用いられる。
• 角度崩壊情報が他のSUSY過程からのバックグラウンドを低減し、信号純度を向上させる。
• 仮定された質量のグリッド上でSUSY質量スキャンが実施され、最大尤度構成が同定される。
• アルゴリズムは、フルハドロンSUSY最終状態に適用される前に、半レプトン的トップクォークイベントで検証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7つのジェットと消失運動量を伴う完全ハドロン最終状態における超対称性崩壊チェーンを、遺伝的アルゴリズムに基づく運動量適合手法が的確に再構築できるか。
• RQ2 角度崩壊情報の組み込みが、イベント再構築段階での組み合わせ的および非SUSYバックグラウンドの低減にどの程度有効であるか。
• RQ3 初期状態および最終状態放射（ISR/FSR）が、質量再構築およびジェット割り当ての精度に及ぼす影響は何か。
• RQ4 実験的解像度とバックグラウンド汚染が存在する中でも、運動量適合からSUSYパラメータ空間の確率マップをどの程度正確に構築できるか。
• RQ5 質量再構築における体系的バイアス（特に高いセレクトロフェルミオン質量に向かうもの）をどのように特定し、補正できるか。

主な発見

• 遺伝的アルゴリズムは、完全ハドロンSUSY最終状態における正しいジェット割り当てを45%の成功率で達成し、従来手法を上回る性能を示した。
• スキュア質量は高い精度で再構築され、真の質量800 GeVが最大尤度ピークから10 GeV以内に位置している。
• チルリンオ/ニュートラリノ質量再構築には体系的バイアスが観察され、より高い値（例：真の値約270 GeV vs. より高い再構築値）にシフトしているが、主に誤ったジェット割り当てに起因する。
• ISRおよびFSRの組み込みにより、正しいジェット割り当て率は48%から42%に低下したが、セレクトロフェルミオン質量再構築における体系的バイアスも低減された。
• 信号イベントのみを考慮した場合、SUSYパラメータ空間の確率マップは真の質量を明確に特定するが、バックグラウンド汚染によりピークがずれ、マップが歪められる。
• モンテカルロシミュレーションを用いることで、観測されたセレクトロフェルミオン質量再構築における体系的バイアスを抽出・補正可能である。