[論文レビュー] Reconstructing events with missing transverse momentum at the LHC and its application to spin measurement

D. Horton|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ニュートリノが検出されない場合のLHCイベントにおけるスピン量子数の測定を目的として、欠落運動量を伴うイベントのための確率的再構成手法を提案する。測定された可視運動量と仮定された質量および行列要素を組み合わせることで、スピンに敏感な運動量変数（例：生成角度）の確率分布を再構成し、スピン仮説間の識別を向上させる。100 fb⁻¹の統計的データ量で、SUSYとUEDモデルを区別する際の誤差確率が3%にまで低下し、従来の手法を上回る性能を示す。

ABSTRACT

In this article we discuss the measurement of spin at the LHC, in events with two unknown four-momenta. Central to this problem is the identification of spin-dependent kinematic variables and the construction of a statistical test that can distinguish between different spin hypotheses. We propose a method for reconstructing kinematic variables that depend upon the unknown momenta. The method is based upon a probabilistic reconstruction of each event, given the masses of the final and intermediate states and the cross-section of the assumed hypothesis. We demonstrate that this method can distinguish between two spin hypotheses for a specific process, even after mass uncertainties and Standard Model backgrounds are taken into account. We compare our method with another that only utilises the observable momenta of each event. We will show that our method permits an improved discrimination between hypotheses, with a reduced probability of error.

研究の動機と目的

• 検出不能な粒子によって欠落運動量を示す新しい物理イベントにおけるスピン測定の課題に対処すること。
• 未知の運動量に依存するスピンに敏感な運動量変数を再構成する手法を開発すること。
• 可視運動量のみを用いる従来の手法を超えて、競合するスピン仮説（例：SUSY 対 UED）の識別を向上させること。
• 質量測定の不確実性および標準模型の背景に対して、手法の頑健性を評価すること。

提案手法

• 各イベントに対して確率的再構成を実施し、仮定された仮説（質量、結合定数、スピン）と行列要素を用いて未検出の運動量を統合する。
• 各運動量変数 O（例：cosθ_A、β_A）について、q_H(O) の分布を、H が仮説であるときのすべてのイベント i における p(O|E_i, H) の和として構築する。
• 各仮説下での期待される p(O|H) と観測された q_H(O) を比較するため、尤度比検定 ln(r) を適用する。
• 標準模型の背景とイベント選別を含む部分素粒子レベルのシミュレーションを用いて、スレプトン対生成のテストに手法を適用する。
• 可視運動量のみを用いる従来の手法（cosθ_ll 変数のみ使用）と比較して、本手法の性能を評価する。
• 10%の質量不確実性下での有意水準（α）と検出力（1−β）を評価し、頑健性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠落運動量を伴うイベントにおいて、未知の運動量に依存するスピンに敏感な運動量変数を、効果的に再構成できるか？
• RQ2 可視運動量のみを用いる手法と比較して、本手法がスピン仮説の識別をどの程度向上させるか？
• RQ3 10%の質量測定不確実性が、スピン識別テストの性能に与える影響は何か？
• RQ4 スレプトン対生成において、SUSY と UED モデルを高い統計的パワーで区別できるか？
• RQ5 部分素粒子レベルでの標準模型の背景およびイベント選別要因に対して、本手法は頑健か？

主な発見

• 本手法は、100 fb⁻¹の統計的データ量を用いることで、SUSY と UED モデルを区別する際の誤差確率を約3%にまで低下させる。
• q_H(cosθ_A) に基づく検定では、3.3%の有意水準で98.3%の検出力を達成し、10%の質量不確実性下でも頑健性を保つ。
• q_H(cosθ_A, β_A) を用いた検定では、質量不確実性の影響で性能が低下し、m_A が10%低く見積もられた場合に検出力が95.2%に低下する。
• 可視運動量のみを用いる従来の手法（cosθ_ll を使用）では、誤差確率が約15%にまで上昇し、本手法に比べて著しく劣る。
• cosθ_A のような変数では、質量不確実性に対して本手法は頑健であるが、質量仮定に敏感な β_A のような変数では性能が劣化する。
• 複数の独立な変数を組み合わせることで識別性能を向上させられるが、その恩恵の大きさは質量測定の不確実性に依存する。