[論文レビュー] R-Hadron and long lived particle searches at the LHC

S. Bressler|ArXiv.org|Oct 10, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるATLASおよびCMS検出器を用いた、長寿命で電荷を帯びた粒子（Rヒドラドロンおよびスレプトンを含む）に対するモデルに依存しない探索戦略を提示する。時間飛行（TOF）およびdE/dxに基づく再構成手法を導入し、粒子の速度βを測定する。ATLASではMDTドリフト時間補正を、CMSではトラッカーのdE/dxを用い、効果的なβ分解能と質量再構成を実現し、高pTミューオン背景からの信号の区別を可能にする。

ABSTRACT

If long lived charged particles exist, and produced at the LHC, they may travel with velocity significantly slower than the speed of light. This unique signature was not considered during the design of the LHC experiments, ATLAS and CMS. As a result, hardware and trigger capabilities need to be evaluated. Model independent approaches for finding long lived particles with the LHC experiments are introduced. They are tested using two bench marks, one in GMSB and one in Split SUSY. The focus is on hardware and trigger issues, as well as reconstruction methods developed by ATLAS and CMS. Both experiments suggest time of flight (TOF) based methods. However, the implementation is different. In ATLAS a first beta estimation is done already at the trigger level. CMS also uses dE/dx to estimate beta.

研究の動機と目的

• LHC実験では粒子が光速に近い速度で移動すると想定されていたが、長寿命で電荷を帯びた粒子のためのトリガーおよび再構成インfraの欠如に対処する。
• GMSBおよびスプリットSUSYのシナリオにおけるRヒドラドロンおよびスレプトンに焦点を当て、モデルに依存しない探索戦略の開発を行う。
• 複数のバッチクロスティング（BCID）を含むデータ読み出しの変更により、低β粒子のトリガー効率を向上させ、誤ったBCID割り当てによる損失を低減する。
• ATLASでは時間飛行（TOF）法、CMSでは比エネルギー損失（dE/dx）法を用い、βおよび質量の高精度な再構成を可能にする。
• 低β値でも、組み合わせたβおよび質量カットを用いることで、信号イベントが高pTミューオン背景から分離可能であることを示す。

提案手法

• ATLASでは、モニタードリフトチューブ（MDT）を用いてドリフト時間を再構成する。低速粒子では、到着が遅れるため、測定されたドリフト時間が真の時間よりも長くなり、時間オフセットΔtが生じる。
• β再構成アルゴリズムは、可能なΔt値を繰り返し試行し、MDTデジタル時間の補正を行い、χ²を最小化するようにセグメントをフィットすることで、粒子の速度βを推定する。
• ATLASの2番目のアルゴリズムでは、大規模なRヒドラドロンサンプルを運動量ごとにビン分けし、β(p)をχ²を最小化するようにフィットし、その後m = p / (γ(p)β(p))により質量を計算する。
• CMSでは、シリコントラッカーのdE/dx測定値を用い、観測されたエネルギー損失をBethe-Block式にフィットすることでβを推定する。標準模型粒子を用いてキャリブレーションを行う。
• 両実験とも、ミューオン背景を抑制しつつ信号を保持するため、pT > 40 GeV、m > 40 GeV、β < 0.97のカットを適用する。
• BCID（バッチクロスティング識別子）は、ATLASで複数の検出器層にまたがるヒットを関連付けるために用いられ、低β粒子が遅れて到着するため、誤割り当てのリスクが高いため重要である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC実験は元々長寿命で電荷を帯びた粒子を想定して設計されていないが、β < 1の長寿命で電荷を帯びた粒子を効率的にトリガーおよび再構成できるか？
• RQ2 ATLASのMDTチャンバからの時間飛行（TOF）測定値を用いて、低速粒子のβを再構成する方法はどのように機能するか？
• RQ3 CMSトラッカーにおけるdE/dxに基づくβ再構成手法は、低β粒子に対してどの程度の性能を示すか？
• RQ4 βおよび質量測定値を組み合わせることで、長寿命粒子の信号が高pTミューオン背景からどの程度分離可能か？
• RQ5 誤ったバッチクロスティング識別子（BCID）は、低速粒子の検出効率にどのように影響を与え、どのように緩和できるか？

主な発見

• β = 0.6, 0.7, 0.8, 0.9の場合、再構成されたβの平均値はそれぞれ0.573, 0.688, 0.796, 0.899であり、背景が存在しても分解能が測定可能であることが示された。
• pT > 40 GeV、m > 40 GeV、β < 0.97のカットを適用した場合、ATLASの質量再構成でGMSB5信号が高pTミューオン背景と明確に分離された。
• ATLASのβ再構成アルゴリズムは、質量分解能が十分に高く、背景からの信号の区別が可能であることが図5で示された。
• 2番目のATLASアルゴリズムは、運動量ごとの関数として再構成された質量を出力した（図6）、各運動量ビンで手法の妥当性が検証された。
• CMSのdE/dx手法は、β ≈ 0.6–0.9の粒子に対してβ分解能が約0.03–0.05を達成した（図7）。
• BCID誤割り当てのため、β = 0.7ではトリガー効率が80%未満に低下し、β = 0.6では20%未満にまで低下した。これにより、複数BCの読み出しを延長する必要が生じた。