[論文レビュー] Proposal for a New Reconstruction Technique for SUSY Processes at the LHC

Mihoko M. Nojiri, G. Polesello+1 more|ArXiv.org|Dec 22, 2003

Fusion materials and technologies被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける超対称性（SUSY）イベントのための新しい運動論的再構成技術を提案する。この手法は、質量殻制約と測定された粒子の運動量を用いて、終端点測定に依存せずにスパーティクル質量やニュートリノの運動量を特定する。複数のイベントにわたる質量殻方程式の連立解法により、グルーコンやスバット、ヒッグスボソンの質量を、運動論的終端点から遠く離れたイベントに対しても高精度に再構成可能であり、シミュレーションでは10%未満の質量分解能を達成している。

ABSTRACT

When several sparticle masses are known, the kinematics of SUSY decay processes observed at the LHC can be solved if the cascade decays contain sufficient steps. We demonstrate four examples of this full reconstruction technique applied to channels involving leptons, namely a) gluino mass determination, b) sbottom mass determination, c) LSP momentum reconstruction, and d) heavy higgs mass determination.

研究の動機と目的

• LHCにおけるSUSYカスケード崩壊の再構成技術を開発し、運動論的終端点に近いイベントに依存しないようにすること。
• 統計が少ない高質量SUSYシナリオにおいて、終端点法がデータ不足のため失敗する課題に対処すること。
• 測定されたジェットおよびレプトンの運動量と既知の入力質量を用いて、スパーティクル質量（例：グルーコン、スバット、ヒッグス）を高精度に決定すること。
• 欠落横運動量を用いて、最軽い中性ノイザー（LSP）の運動量を再構成し、他の崩壊チェーンを制約すること。
• ヒッグスボソン質量の高品質な決定にこの手法を拡張し、崩壊チェーン $H \to \tilde{\chi}^0_2 \tilde{\chi}^0_2 \to \ell\ell\ell\ell\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$ を用いること。

提案手法

• この手法は、カスケード崩壊チェーン $\tilde{g} \to \tilde{b} \to \tilde{\chi}^0_2 \to \tilde{\ell} \to \tilde{\chi}^0_1$ に対して5つの質量殻制約を用い、測定された運動量とスパーティクル質量を関連付ける。
• $m_{\tilde{g}}$, $m_{\tilde{b}}$, $m_{\tilde{\chi}^0_2}$, $m_{\tilde{\ell}}$, $m_{\tilde{\chi}^0_1}$ のオンシェル条件を含む方程式系を解き、後者3つは事前に測定された値を仮定する。
• 複数の $bb\ell\ell$ イベントに対して、イベント間での質量関係の一貫性を用いて未知数（LSPの運動量やスパーティクル質量）を解く。
• 同じカスケードチェーンが複数のイベントで同一の質量殻制約を生じることを利用し、グローバルフィッティングを可能にする。
• 横方向運動量バランス式 $\vec{p}_T(\tilde{\chi}^0_1^{(2)}) = \vec{p}_T(\text{miss}) + \vec{p}_T(\tilde{\chi}^0_1^{(1)})$ を用いてLSPの運動量を再構成するが、硬いニュートリノが存在しないと仮定する。
• ヒッグスボソン再構成のため、4つのレプトンの運動量と欠落運動量を用い、ヒッグスの $p_T$ が小さいと仮定して $A$ や $H$ の質量を再構成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおいて運動論的終端点測定に依存せずにスパーティクル質量を再構成できるか？
• RQ2 2つの崩壊チェーンしか観測されない状況で、最軽い中性ノイザー（LSP）の運動量をどのように再構成できるか？
• RQ3 多イベント質量関係手法を用いた場合、グルーコンおよびスバット質量の達成可能な分解能はどの程度か？
• RQ4 4つのレプトンと欠落運動量を用いて、$\tilde{\chi}^0_2 \to \ell\ell\tilde{\chi}^0_1$ 崩壊から重いヒッグスボソン質量を再構成できるか？
• RQ5 レプトンペアリングの曖昧さに起因する組み合わせ的バックグラウンドが存在する場合、この手法の有効性はどの程度か？

主な発見

• シミュレーションにおいて、SPS1aの状況で再構成された$A$ボソン質量分解能は約6 GeVに達し、主に運動量分解能に起因する。
• レプトンペアリングのカットを施した後も、明確な狭いピークを持つイベントの約30%が保持され、再構成された$A$ボソン質量分布に明確なピークが現れる。
• 複数の $bb\ell\ell$ イベントと既知の入力質量を用いて、グルーコンおよびスバット質量を10%未満の精度で成功裏に再構成した。
• LSPの運動量は高精度に再構成可能であり、横方向運動量バランスにより、2番目のカスケード崩壊チェーンの制約が可能になった。
• 統計が少なく、終端点構造が見えない状況でも、この手法は有効であり、高質量SUSYシナリオに適している。
• 崩壊チェーンが硬いニュートリノ（例：$W$ や $\tilde{\tau}$ 崩壊経路）を生成する場合には、この手法は失敗する。これは、質量殻の一貫性が破れるためである。