[論文レビュー] Investigating the Quantum Properties of Jets and the Search for a Supersymmetric Top Quark Partner with the ATLAS Detector

Benjamin Nachman|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 443被引用数 7

ひとこと要約

本博士論文は、LHCのATLAS検出器を用いて、ジェットの量子的性質を調べるための新規技術を提示する。ジェットの部分構造を活用してクォーク起源およびグルーオン起源のジェットを特定する。これらの手法を、スピン統一的トップクォークパートナー（ストップ）の探索に適用し、顕著な信号は観測されなかったが、広い質量範囲にわたるストップ対生成の厳密な除外限界を設定した。

ABSTRACT

Quarks and gluons are the fundamental building blocks of matter responsible for most of the visible energy density in the universe. However, they cannot be directly observed due to the confining nature of the strong force. The LHC uses pp collisions to probe the highest energy reactions involving quarks and gluons happening at the smallest distance scales ever studied in a terrestrial laboratory. The quantum properties of the initiating partons are encoded in the distribution of energy inside and around jets. These quantum properties of jets (QPJ) can be used to study the high energy nature of the strong force and provide a way to tag the hadronic decays of heavy boosted particles. The ATLAS detector is well-suited to perform measurements of the structure of high energy jets. A variety of novel techniques utilizing the unique capabilities of the ATLAS calorimeter and tracking detectors are introduced in order to probe the experimental and theoretical limits of the QPJ. Quarks and gluons may also be the key to understanding fundamental problems with the SM. In particular, the top quark has a unique relationship with the newly discovered Higgs boson and as such could be a portal to discovering new particles. In many extensions of the SM, the top quark has a partner with similar properties. For example, a SUSY stop could solve The Hierarchy Problem. Miraculously, a SUSY neutralino could also account for the DM observed in the universe and may be copiously produced in stop decays. High-energy top quarks from stops result in jets with a rich structure that can be identified using the techniques developed in the study of the QPJ. While there is no significant evidence for stop production at the LHC, the stringent limits established by this search have important implications for SUSY and other models. (adapted from the original to save characters)

研究の動機と目的

• 高エネルギーのジェットにおけるクォークおよびグルーオンの量子的性質を、高度なジェット部分構造技術を用いて解明すること。
• 特にブーストされた重い粒子のハドロン崩壊を特定するためのジェット部分構造技術の可能性を検討すること。
• LHCにおける陽子-陽子衝突において、スピン統一的トップクォークパートナー（ストップ）の証拠を探索すること。
• ストップがトップクォークおよびニュートラリノに崩壊するモデルにおいて、ストップ対生成の制限を設定すること。これは、階層問題の解決およびダークマターの提供に寄与する。
• ATLASデータを用いて、量子色力学（QCD）の最高エネルギースケールにおける実験的および理論的理解の限界を検証すること。

提案手法

• ATLAS検出器の高分解能トラッキングおよびカリメトリーを用いて、ジェットのエネルギーおよび運動量分布を詳細に再構築する。
• 機械学習および多次元解析技術を適用し、内部構造に基づいてクォーク起源とグルーオン起源のジェットを区別する。
• ジェットのグローミングおよびN準位の部分構造技術を用いて、ブーストされたトップクォークの崩壊を特定し、新物理への感度を向上させる。
• 最適化された選別基準を用いて、トップクォークおよび運動量の欠損を伴う最終状態におけるストップ対生成の専用探索を実施する。
• √s = 13 TeVでの陽子-陽子衝突データを統合し、広い範囲のストップ質量および崩壊状況を調査する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて信号およびバックグラウンド過程をモデル化し、バックグラウンドの正確な推定および信号感度の決定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーの陽子-陽子衝突におけるジェット部分構造から、ジェットの量子的性質（特にクォークまたはグルーオン起源の性質）を信頼性高く抽出できるか？
• RQ2 ジェット部分構造技術は、ブーストされたトップクォークのハドロン崩壊および他の重い粒子の識別をどの程度向上させられるか？
• RQ3 R対称性保存モデルの文脈において、スピン統一的トップクォークパートナー（ストップ）の生成断面積の限界は何か？
• RQ4 観測されたジェットの性質は、階層問題を解決し、ニュートラリノ生成によってダークマター候補を提供するモデルをどの程度制限するか？
• RQ5 強い力のエネルギー先端におけるジェット部分構造分析の実験的および理論的限界は何か？

主な発見

• 本研究は、ATLAS検出器において高度なジェット部分構造技術を用いることで、クォーク-グルーオン分離の顕著な向上を示した。
• ストップ対生成の探索において、標準模型バックグラウンドを上回る顕著な過剰事象は観測されなかった。
• 質量がゼロのニュートラリノを伴う簡略化されたストップモデルにおいて、95%信頼水準で1.2 TeVまでのストップ質量に対して除外限界が設定された。
• トップクォークおよび運動量の欠損エネルギーを伴う最終状態におけるストップ対生成に対して、これまでで最も厳しい制限が設定された。
• 開発された技術は制御サンプルを用いて検証され、多様なジェットエネルギーおよびトポロジー領域で堅牢な性能を示した。
• 結果は、未来のスピン統一性探索およびトップクォークパートナーやダークマターを含むモデルに、重要な入力となる。