[論文レビュー] Recovering Particle Masses from Missing Energy Signatures with Displaced Tracks

Michael Park, Yue Zhao|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける超対称性に類似した状況下で、長寿命粒子からのずれた軌跡を活用することで、粒子質量が欠落している場合にモデルに依存しない手法を提案する。二次頂点の空間的位置と運動量的制約を用いることで、制約が不十分な場合ですら、わずかなイベント数で未知の質量を回復可能であり、高精度な初期発見段階の解析を可能にする。

ABSTRACT

If physics beyond the Standard Model contains metastable new particle states, its signatures may manifest themselves at the LHC through the presence of displaced vertices or displaced tracks. Such signatures are common in low-scale supersymmetry breaking scenarios as well as a host of other well-studied new physics models. Here we analyze the kinematics of dual cascade decays with missing energy resulting from a stable non-interacting new particle state at the bottom of the decay chain. We find that if the final step of the decay chain involves a metastable particle, the resulting presence of displaced tracks provides strong constraints with which to solve for the unknown kinematic quantities lost through missing energy. In addition we develop techniques with which to recover all kinematic unknowns, even in situations where the unknown quantities outnumber the constraints. These techniques can all be performed using a very small number of events and can thus be applied to very early discovery level searches at the LHC.

研究の動機と目的

• 最終状態の粒子が欠落運動量によって検出不能な場合に、BSM物理学における粒子質量を測定する手法を開発すること。
• 軽い安定粒子（LSP）が検出不能であるため、崩壊連鎖における運動量的再構築の課題に対処すること。
• 長寿命粒子からのずれた軌跡を活用し、欠落粒子の3次元運動量を制約し、完全な運動量情報を取り戻すこと。
• 非常に少ないイベント数で質量再構築を可能とし、初期発見段階のLHC探索に適した手法を提供すること。
• 超対称性に限らず、すべてのBSM状況に適用可能な一般化されたモデルに依存しない技術を提供すること。

提案手法

• ずれた軌跡の頂点の空間的位置を用いて、長寿命粒子（NLSP）の3次元運動量を再構築し、それらをもとに欠落エネルギーの担い手（LSP）の運動量を推定する。
• 崩壊頂点の位置からの幾何的制約を適用し、LSPの3次元運動量をNLSPの方向ベクトルの関数として表現する。
• 崩壊点の可能性をずれた軌跡に沿って走査する技術を用い、指数関数的崩壊分布と空間的等方性に基づく重み係数を導出する。
• 主頂点からずれた軌跡までの観測された垂直距離の確率密度関数を導入し、崩壊長と運動量的幾何学的要因を考慮する。
• 既知の4次元運動量を有するモンテカルロ部分粒子レベルのデータを用いて、観測可能な量（軌跡の終点、横方向の欠落エネルギー）をシミュレートし、元の運動量にアクセスせずに質量を再構築する。
• 最近接距離 $d_{\perp}$ の分布に対する数値積分を導出し、わずかなずれた軌跡から特徴的な崩壊長 $l_0$ を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最終状態粒子が安定で検出不能な場合、欠落エネルギーのシグネチャとわずかなずれた軌跡情報のみを用いて粒子質量を再構築できるか？
• RQ2 ずれた軌跡の幾何学的配置が、崩壊連鎖における不可視粒子の3次元運動量をどの程度制約できるか？
• RQ3 未知数の数が制約の数を上回る状況下でも、わずかなイベント数での質量再構築が可能か？
• RQ4 わずかなイベント数から、長寿命粒子の崩壊長を、ずれた軌跡の空間的分布からどの程度正確に推定できるか？
• RQ5 本手法は、超対称性に依存せず、メタ安定粒子と欠落エネルギーを有する任意のBSMモデルに一般化して適用可能か？

主な発見

• 本手法は、わずかなイベント数でさえも、制約が不十分な状況下でも、すべての未知の運動量的量（粒子質量を含む）を正常に回復できる。
• ずれた軌跡の空間的分布を用いることで、わずかなイベント数でも長寿命粒子の特徴的な崩壊長 $l_0$ を頑健に推定できる。
• 主頂点からずれた軌跡までの垂直距離 $d_{\perp}$ の確率密度関数を解析的に導出し、$l_0$ の数値的抽出に利用可能である。
• ずれた軌跡に沿った走査点の重み係数は、指数関数的崩壊と空間的分布の両方を考慮しており、正しい統計的重み付けを保証する。
• 主頂点、軌跡の終点、可視粒子の4次元運動量、横方向の欠落エネルギーといった、観測可能な量のみを用いて質量再構築が可能である。
• 本手法はモデルに依存せず、超対称性に限らず、ずれた頂点と欠落エネルギーを有する任意のBSM状況に適用可能である。