[論文レビュー] Kinematical variables towards new dynamics at the LHC

C. Rogan|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 57

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける2つの高エネルギー粒子が生成され、それらが可視粒子および遮蔽された（弱い相互作用を示す）粒子に崩壊する新しい物理現象を同定・特徴付けるために、$M_R$ および $M_{R^*}$ という新しい運動量変数を導入する。これらの変数は運動量のバランスとブースト不変性を利用し、親粒子の質量を再構築し、運動論的閾値を解明する。中心座標系のブーストが非ゼロである状況では、$\gamma_{R^*}M_{R^*}$ が $M_R$ よりも優れた分解能を示す。

ABSTRACT

At the LHC, many new physics signatures feature the pair-production of massive particles with subsequent direct or cascading decays to weakly-interacting particles, such as SUSY scenarios with conserved conserved R-parity or $H o W(\ellν)W(\ellν)$. We present a set of dimension-less variables that can assist the early discovery of processes of this type in conjunction with a set of variables with mass dimension that will expedite the characterization of these processes.

研究の動機と目的

• LHCにおける2つの高エネルギー粒子が生成され、それらが可視粒子および遮蔽された粒子に崩壊する新しい物理過程の発見と質量測定を向上させる運動量変数の開発。
• 弱い相互作用を示す粒子が検出不能であるために、横方向の運動量が欠落するイベントにおける質量再構築の課題に対処する。
• 初期状態放射と中心座標系のブーストに対して不変な、信頼性の高い質量スケール決定を可能にする、頑健な変数の提供。
• 既存の手法を拡張し、非デリミテッド変数 $R$ および $R^*$ を導入することで、包括的最終状態における二ジェット背景を抑制し、信号選択を強化する。
• R対称性保存型SUSYおよび標準模型ヒッグス粒子が $WW\to\ell\nu\ell\nu$ に崩壊するという重要なベンチマーク過程におけるこれらの変数の有効性を示す。

提案手法

• $M_R$ を、実験フレーム（Rフレーム）における2つの可視崩壊生成物のインヴァリアント質量として定義する。このRフレームでは、2つの生成物の3次元運動量の大きさが等しくなる。このフレームは、実験フレームからの縦方向ブーストによって得られる。
• $M_{R^*}$ を、$M_R$ の改良版として導入する。$M_{R^*}$ は、動的に決定されるブーストパラメータ $\beta_{R^*}$ を用いることで、定義が曖昧な状況を回避し、安定性と分解能を向上させる。
• 次元なし変数 $R$ および $R^*$ を用いて運動量の不均衡を定量化し、誤って再構築された二ジェットイベントを抑制する。これにより、信号対背景比が向上する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、SUSYにおけるエネルギー欠落とヒッグス粒子の $WW\to\ell\nu\ell\nu$ への崩壊を含む、排他的および包括的最終状態にこれらの変数を適用し、性能を検証する。
• $M_R$ および $\gamma_{R^*}M_{R^*}$ のピーク位置の解析的表現を、$M_G$, $M_\chi$, および $\gamma_{CM}$ の関数として導出し、$M_\Delta = (M_G^2 - M_\chi^2)/M_G$ に比例するスケーリングを示す。
• $\gamma_{R^*}M_{R^*}$ がヒッグス粒子崩壊で $M_H/2$ にピークを示し、$M_{R^*}$ が $M_W$ にピークを示すことを示し、ヒッグスおよびWボソンの直接的な質量再構築が可能であることを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視粒子および遮蔽された弱い相互作用粒子に崩壊する2つの高エネルギー粒子の質量を再構築するための運動量変数は、どのように設計できるか？
• RQ2 中心座標系のブーストが非ゼロである状況において、$M_R$ のような既存の変数にどのような改良を加えると、安定性と分解能が向上するか？
• RQ3 次元なし変数 $R$ および $R^*$ は、横方向運動量欠落を伴う包括的最終状態において、二ジェット背景をどの程度抑制できるか？
• RQ4 $M_{R^*}$ および $\gamma_{R^*}M_{R^*}$ は、R対称性保存型SUSYにおける複雑なカスケード崩壊において、正確な質量測定を可能にするか？
• RQ5 非 degenerate 親粒子を有するモデルにおいて、質量分裂 $\delta$ が変化するとき、$M_{R^*}$ および $\gamma_{R^*}M_{R^*}$ のピーク位置はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• $M_R$ は $\gamma_{CM} = 1$ の極限で最も効果的であるが、これは運動論的に不可能である。一方、$\gamma_{R^*}M_{R^*}$ は、定義が曖昧な状況を回避し、同じピークスケーリングを安定的かつ明確に再現する代替手段を提供する。
• $\gamma_{R^*}M_{R^*}$ のピークは $\gamma_{CM}M_\Delta$ に比例するため、中心座標系のブーストが非ゼロであっても、親粒子の質量スケールを正確に再構築できる。
• $H\to WW\to\ell\nu\ell\nu$ 崩壊において、$M_{R^*}$ は $M_W$ にピークを示し、$\gamma_{R^*}M_{R^*}$ は $M_H/2$ にピークを示す。これは、ヒッグス質量を直接再構築できるという変数の能力を示している。
• 質量分裂 $\delta$ がある状況では、$M_{R^*}$ は $M_\Delta\sqrt{1+\delta}$ にピークを示し、変数が質量分裂パラメータに正しくスケーリングすることを示している。
• $R^*$ 変数は、可視運動量がバランスの取れたイベントを選択することで、二ジェット背景を効果的に抑制し、誤って再構築されたQCDイベントを顕著に減少させる。
• $\gamma_{R^*}M_{R^*}$ の分布は、高運動量背景においても $\sqrt{\hat{s}}$ に鋭いピークを維持しており、初期状態放射の影響に対しても頑健であることが示された。