[論文レビュー] Identifying Exclusive Displaced Hadronic Signatures in the Forward Region of the LHC

X. Cid Vidal, Yuhsin Tsai+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 61被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCbの優れたハドロン識別およびバーテックス再構築能力を活用して、Exotic Higgs崩壊（h → SS）に起因する長寿命で軽いスカラー粒子（S）が崩壊する displaced な中性 kaon（S → K⁺K⁻）を、排他的な探索手法で新たに提案する。この手法により、15（300）fb⁻¹のデータでBR(h → SS)の感度が0.1%（0.02%）まで達する。これは、GeVスケールの質量とmmスケールの崩壊長領域において、ATLAS/CMSの包括的でずれのないジェット探索を上回る性能を示す。

ABSTRACT

The LHCb detector provides accurate vertex reconstruction and hadronic particle identification, which make the experiment an ideal place to look for light long-lived particles (LLP) decaying into Standard Model (SM) hadrons. In contrast with the typical search strategy relying on energetic jets and a high multiplicity of tracks from the LLP decay, LHCb can identify LLPs in exclusive, specific hadronic final states. To illustrate the idea, we study the sensitivity of LHCb to an exotic Higgs decay $h o SS$, followed by the displaced decay of GeV-scale scalars into charged kaons $S o K^+K^-$. We show that the reconstruction of kaon vertices in narrow invariant mass windows can efficiently eliminate the combinatorial backgrounds from $B$-meson decays. While the same signal is extremely difficult to probe in the existing displaced jet searches at ATLAS/CMS, the LHCb search we propose can probe the branching ratio BR$(h o SS)$ down to $0.1\%$ ($0.02\%$) level with $15$ ($300$) fb$^{-1}$ of data. We also apply this projected bound to two scenarios with Higgs portal couplings, where the scalar mediator $S$ either couples to a) the SM quarks only, or b) to both quarks and leptons in the minimal flavor violation paradigm. In both scenarios we compare the reach of our proposed search with the expected constraints from ATLAS and CMS on the invisible Higgs width and with the constraints from rare B-decays studies at LHCb. We find that for 1 GeV $< m_S < $ 2 GeV and $0.5~{ m mm} \lesssim c τ\lesssim 10$ mm our proposed search will be competitive with the ATLAS and CMS projections, while at the same time providing crucial information of the hadronic interactions of $S$, which can not be obtained from the {\it indirect} measurement of the Higgs invisible width.

研究の動機と目的

• ATLAS/CMSの包括的でずれのないジェット探索ではカバーできない、GeVスケールの質量とミリメートルスケールの崩壊長を持つ軽い長寿命粒子（LLPs）を探索する課題に対処すること。
• LHCbの優れたハドロン粒子識別およびバーテックス再構築能力を活用し、S → K⁺K⁻のような排他的な崩壊状態を再構築可能にする。
• Higgsポータル系において、軽いスカラー媒介粒子Sのハドロン的結合について、直接的かつモデルに依存しない制約を提供すること。これは、非可視Higgs幅およびレアB崩壊からの間接的制約を補完する。
• ATLAS/CMSの包括的探索が失敗するパラメータ領域、特に低質量・低エネルギーのLLP崩壊において、LHCbがその探索を可能にすることを示すこと。
• 特にハドロフィル的またはフレーバー構造を持つ媒介粒子に対して、LHCbにおける排他的な displaced ハドロン崩壊の分析を今後推進する動機を与えること。

提案手法

• h → SSに続くS → K⁺K⁻崩壊に起因する displaced ハドロン頂点を、LHCbのフォワード領域で排他的に探索する戦略を提案する。
• B中間子崩壊由来の組み合わせ的バックグラウンドを抑えるために、kaon対の有効質量ウィンドウを狭く設定する。
• 高効率なハドロン粒子識別にLHCbのRICH検出器、高精度なバーテックス再構築にVELOを活用する。
• m_S = 1–2 GeVおよびcτ_S ≈ 0.5–10 mmの条件で、信号受容率とバックグラウンド抑制率をモンテカルロシミュレーションにより推定する。
• ATLAS/CMSの非可視Higgs幅測定およびLHCbにおけるレアB崩壊研究からの既存の制約と、感度を比較する。
• Higgsポータル結合を持つ信号モデルを想定し、積分 luminosity 15および300 fb⁻¹の感度を、luminosityスケーリングを用いて予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS/CMSの包括的探索が失敗する領域において、LHCbは、ハドロンに崩壊する軽く長寿命なスカラー粒子を伴うExotic Higgs崩壊h → SSに対して、競争力のある感度を達成できるか？
• RQ2 フォワード領域におけるB中間子崩壊由来のQCDバックグラウンドを、排他的なK⁺K⁻最終状態の再構築がどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ3 LHCbの排他的探索の予想される感度は、非可視Higgs幅およびレアB崩壊からの間接的制約と比べてどのように比較されるか？
• RQ4 どのパラメータ領域（m_S, cτ_S, 結合構造）において、LHCbの排他的探索が軽いスカラー媒介粒子に対する最も厳しい制約を与えるか？
• RQ5 排他的ハドロン最終状態（例：S → K⁺K⁻）は、間接測定では得られないSのハドロン的結合に関する独自の情報を提供できるか？

主な発見

• 15 fb⁻¹のデータで、m_S = 1–2 GeVおよびcτ_S ≈ 1 mmの条件下で、BR(h → SS)の感度が0.1%まで達する。これは、既存の包括的探索を著しく上回る。
• 300 fb⁻¹のデータでは感度が0.02%まで向上し、同じluminosityにおけるATLAS/CMSの予想される境界と同等またはそれを上回る。
• ハドロフィル的（レプトフィル的でない）Sの場合は、関心のあるパラメータ領域で、本探索が最も厳しい制約を提供する。これは、LHCbにおける専用分析の動機を高める。
• Higgsに類似した結合構造の下では、この探索はmuon結合に関する補足的情報を提供し、間接的制約ではカバーできない領域（結合強度で5–10倍の感度向上）を探索可能である。
• 排他的なK⁺K⁻再構築は、有効質量ウィンドウを用いることで、B中間子崩壊由来の組み合わせ的バックグラウンドを効果的に抑制する。
• この手法は、D中間子、パイオン、バリオンなどの他の排他的ハドロン最終状態へも容易に拡張可能であり、軽いLLP探索の一般的な戦略を提供する。