[論文レビュー] Identifying Multi-Top Events from Gluino Decay at the LHC

B. S. Acharya, Phill Grajek+4 more|ArXiv.org|Jan 22, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 53被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるグルーギノ崩壊からのマルチトップ最終状態を特定するためのフィッティング手法を提案する。直接的なトップクォーク再構築に代わり、包括的チャネルカウントを用いる。同じ符号の二重レプトン＋複数のbジャットが、初期発見可能性において最良であることが示され、約10 fb⁻¹の統合放射能のもとで、多数の組み合わせ的背景があるにもかかわらず、分岐比とグルーギノ質量が中程度の精度で抽出可能であることを示している。

ABSTRACT

We study the LHC signal of a light gluino whose cascade decay is dominated by channels involving top, and, sometimes, bottom quarks. This is a generic signature for a number of supersymmetry breaking scenarios considered recently, where the squarks are heavier than gauginos. Third generation final states generically dominate since third generation squarks are typically somewhat lighter in these models. At the LHC we demonstrate that early discovery is possible due to the existence of multi-lepton multi-bottom final states which have fairly low Standard Model background. We find that the best discovery channel is 'same sign dilepton'. The relative decay branching ratios into tt, tb and bb states carry important information about the underlying model. Although reconstruction will yield evidence for the existence of top quarks in the event, we demonstrate that identifying multiple top quarks suffers from low efficiency and large combinatorial background, due to the large number of final state particles. We propose a fitting method which takes advantage of excesses in a large number of channels. We demonstrate such a method will allow us to extract information about decay branching ratios with moderate integrated luminosities. In addition, the method also gives an upper bound on the gluino production cross section and an estimate of the gluino mass.

研究の動機と目的

• 直接再構築が組み合わせ的背景が高いため非効率となる状況下で、グルーギノ崩壊からのマルチトップ最終状態を同定する手法を開発すること。
• 超対称スケーリング構造に関する重要な情報を含む、グルーギノ崩壊のtt、tb、bb最終状態への相対的分岐比を抽出すること。
• 包括的観測量を用いてグルーギノ生成断面積と質量を推定し、一貫性の確認とモデル同定を可能にすること。
• 低放射能（例：500 pb⁻¹）条件下で顕著な信号過剰が得られる初期発見チャンネルを同定すること。
• 高多重度イベントにおける直接トップクォーク再構築の限界を克服するために、複数の包括的チャンネルをフィッティングする手法の有効性を示すこと。

提案手法

• 直接トップクォーク再構築に依存せず、複数のレプトンおよびbジャットを伴う最終状態の包括的カウントを観測量として用いるフィッティングフレームワークを開発。
• 異なる崩壊トポロジーの検出効率を推定するため、モンテカルロシミュレーションを用いて信号効率のテンプレートを生成。
• 複数のチャンネルにおける観測されたイベント数をフィッティングし、分岐比、生成断面積、グルーギノ質量を抽出。
• マルチレプトン・マルチボトム最終状態は標準模型背景が低いため、初期発見可能性が向上することを活用。
• レプトン-ハドロンのインvariant質量（mℓh > mcut）に基づく遮断基準を用い、ハドロン活性からの偽レプトンを抑制。
• ベンチマークモデルを用いた妥当性評価と、質量仮説や放射能の変化に対するロバストネスのテストを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 組み合わせ的背景が高い状況下で、包括的チャネルカウントは直接トップクォーク再構築を上回る性能を示すか？
• RQ2 LHCにおけるグルーギノ崩壊がトップを多く含む最終状態に崩壊する場合、初期観測のための最適な発見チャンネルは何か？
• RQ3 マルチチャンネルフィッティング手法を用いることで、中程度の放射能でtt、tb、bb最終状態への相対的分岐比を測定可能か？
• RQ4 包括的観測量を用いることで、グルーギノ質量と生成断面積はどの程度まで制約可能か？
• RQ5 高多重度イベントにおける現実的な背景と組み合わせ的課題の下で、この手法はどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 同じ符号の二重レプトン＋複数のbジャットチャンネルが、初期発見可能性において最良であり、統合放射能500 pb⁻¹でも顕著な信号過剰が観測される。
• 直接トップクォーク再構築は、1つのトップに対して約49％の効率にとどまり、組み合わせ的背景が著しく高いため、トップ多重度の測定には不適切である。
• 約10 fb⁻¹の放射能で、提案されたフィッティング手法によりグルーギノ崩壊分岐比を中程度の精度で抽出可能であり、モデル同定が可能となる。
• この手法によりグルーギノ生成断面積の上限が得られ、グルーギノ質量の推定が可能となり、解析の一貫性確認に役立つ。
• 有効質量観測量は、完全な再構築がなくても、質量ギャップ M~g - MLSP の信頼性の高い推定値を提供する。
• mℓh > mcut といった運動量変数の導入により、レプトン分離度が向上し、ハドロン活性由来の偽背景が低減される。