[論文レビュー] Don't Miss the Displaced Higgs at the LHC Again

Matthew R. Buckley, V. Halyo+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、LHCのハイレベルトリガー（HLT）システムに、GPUやXeon Phiコプロセッサを用いた大量並列計算（MPC）を統合することで、ずれずれしたヒッグス崩壊を高速に検出するためのハウフ変換ベースのトリガーを実現することを提案する。MPCの加速を活用することで、1 fb⁻¹のLHCランIIデータで分岐比が6×10⁻⁴にまで低くなる長寿命ヒッグスモデルの発見に十分なトリガー効率を達成し、低pTおよびずれずれしたジャットのトリガー効率が低いという現在の実験的制限を克服する。

ABSTRACT

A signature often found in non-minimal Higgs sectors is Higgs decay to a new gauge-singlet scalar, followed by decays of the singlets into Standard Model fermions through small mixing angles. The scalar decay can naturally be displaced from the primary vertex. The present experimental constraints on such models are extremely weak, due to low (or zero) trigger rates for the resulting low $p_T$ displaced jets. In this letter, we highlight the advantages of integrating into the trigger system massively parallel computing and coprocessors based on Graphics Processing Units (GPUs) or the Many Integrated Core (MIC) architecture. In particular, if such coprocessors are added to the LHC experiments' high level trigger systems, a fast Hough transform based triggers performed on this hardware would result in significant improvement to displaced searches, sufficient to discover long-lived Higgs models with a small amount of luminosity in Run II at the 14 TeV LHC.

研究の動機と目的

• 低pTでずれずれしたジャットのトリガーが不十分であることが原因で、ずれずれしたヒッグス崩壊に対する実験的感度が著しく低いという問題に対処すること。
• 現在のHLTシステムが高閾値と低効率のため、長寿命粒子をトリガーにかけられないという制限を克服すること。
• ハウフ変換を用いたMPCベースのトリガーが、ずれずれしたヒッグス崩壊の発見範囲を顕著に向上させることを示すこと。
• 14 TeV LHCのランIIにおいて、最小限の光度で長寿命ヒッグスモデルの早期発見を可能にすること。

提案手法

• GPUやXeon PhiコプロセッサをLHCのハイレベルトリガー（HLT）システムに統合し、イベントデータのリアルタイムで大量並列処理を可能にする。
• コプロセッサハードウェア上に高速ハウフ変換アルゴリズムを実装し、長寿命粒子崩壊に起因するずれずれした頂点を検出する。
• トラッククラスタを潜在的な頂点位置にマッピングすることで、特にX → b̄b崩壊に由来するずれずれジャットのトポロジー的パターンをハウフ変換で特定する。
• HLTの閾値が厳しくなることで効率が低下するのを避けるため、MPCトリガーをHLTの前段に配置し、より早期のイベント選別を実現する。
• GPU/MICの高い並列性を活用して、1イベントあたり250個のパイルアップ相互作用をミリ秒未塔で処理し、リアルタイムでのずれずれ頂点再構築を可能にする。
• MPCトリガーをプリフィルタとして用いることで、データ量を削減しながらも、特に低質量ヒッグスに対してずれずれ崩壊シグネチャーの感度を保持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GPUやXeon Phiのような大量並列計算アーキテクチャは、LHCにおけるずれずれしたヒッグス崩壊のトリガー効率を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 MPCベースのトリガーを用いた場合、現在のLHCの光度で、最小でどの程度のヒッグス分岐比（長寿命スカラーへの）が発見可能か？
• RQ3 MPCトリガーの性能は、既存のHLTシステムと比較して、ヒッグス崩壊によるずれずれ4b最終状態を検出する能力でどの程度優れているか？
• RQ4 MPCベースのハウフ変換トリガーは、125 GeVヒッグスの分岐比が10⁻³未満のずれずれ崩壊を、初期ランIIで検出可能か？
• RQ5 MPCトリガーを用いたイベントを用いて、非標準模型ヒッグスがずれずれしたX → b̄b状態に崩壊する場合、どの程度の光度が必要か？

主な発見

• ハウフ変換処理を施したMPCトリガーは、現在のHLTシステムと比較して、ずれずれ4bイベントのトリガー効率をほぼ50倍向上させる。
• MPCトリガーを用いることで、1 fb⁻¹のLHCランIIデータで、分岐比6×10⁻⁴の標準模型ヒッグスがXX → 4bに崩壊する10イベントの発見が可能となる。
• 現在のHLTシステムでは、同じ光度で125 GeVヒッグスの10イベント発見には分岐比が4–10%以上必要であり、既存のトリガーの非効率さが顕著に示されている。
• 200 GeVの非標準模型ヒッグス（h′）がX → b̄bに崩壊し、cτ < 100 mmの場合、MPCトリガーを用いることで、現在のHLTベースの探索と比較して、必要な光度を少なくとも1桁以上低減できる。
• MPCトリガーは、現在のLHC探索が到達できないパラメータ領域、特に低質量ヒッグスや長寿命Xスカラーに対して、ずれずれヒッグス崩壊の発見を可能にする。
• 提案されたMPCベースのトリガー系はHLTの前段に配置可能であり、高光度LHCにおけるHLT閾値の上昇に伴って効率が低下する懸念を回避できる。