[論文レビュー] Search for long-lived particles in ATLAS and CMS

S. Giagu|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLASおよびCMS実験における長寿命粒子（LLP）の検出戦略を提示しており、標準模型を超える charged および neutral LLP に焦点を当てている。時間飛行測定および dE/dx 測定に基づく特別なトリガアルゴリズムを用いることで、バックグラウンドを高効率に抑制し、わずか 100 pb⁻¹ の統合放射線量でもグルーシノやスタウなどの重い安定粒子の発見可能性を示している。

ABSTRACT

The ATLAS and CMS detectors can be used to search for heavy long-lived particles which might signal physics beyond the Standard Model. Such new states can be distinguished from Standard Model particles by exploiting their unique signatures, ranging from multi-leptons and/or jets pro- duction anywhere within the detector volume, to minimum ionizing particles with low velocity and high momentum. Here are reviewed the strategies proposed by ATLAS and CMS to search for these signals, with particular emphasis on possible challenges to the trigger and detector operations.

研究の動機と目的

• LHCのATLASおよびCMS実験における長寿命粒子（LLP）のトリガおよび再構成戦略の開発と評価。
• 低速度またはずれた崩壊を示すLLPが標準トリガで見逃される可能性があるという課題に対処する。
• 宇宙線およびQCD過程からのバックグラウンドを低減しながら、LLPのシグナルに対して高い信号効率を維持する。
• 専用のトリガアルゴリズムを用いて、R-ハドロン、グルーシノ、カルラ・カイン粒子などの新しい物理の早期発見を可能にする。

提案手法

• 高分解能のミューオン系を用いた時間飛行測定により、長寿命のcharged粒子の速度 β を特定する。
• 中央トラッカーからの dE/dx 測定と時間飛行データを組み合わせることで、質量および β の識別を向上させる。
• Higgs粒子が長寿命の中性粒子（πᵥ）に崩壊する場合のシグナルに基づく、署名ベースのレベル1およびレベル2トリガを中性LLP用に設計する。シグナルはずれた頂点および異常なジャケットエネルギー分布を特徴とする。
• ミューオンスぺクトロメータ内での遅延崩壊（例：コーン内に複数のミューオン候補）およびカリブレータ内での遅延崩壊（例：HAD/EMエネルギー比が高いトラックレスジャケット）に敏感なトリガを実装する。
• dE/dxおよび時間飛行による β 測定の組み合わせを用いて、宇宙線および誤再構成ミューオンバックグラウンドを排除する。
• 隠れたバレー（Hidden Valley）モデルのトリガ効率およびバックグラウンド受容率を推定するために、完全にシミュレートされたイベントサンプルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLASおよびCMSの検出器において、低 β を示す長寿命charged粒子のトリガおよび再構成における主な課題は何か？
• RQ2 時間飛行測定と dE/dx 測定をどのように組み合わせることで、重い安定charged粒子の識別を向上させられるか？
• RQ3 Higgs粒子がハイドゥンセクター粒子に崩壊するような、マクロな崩壊長を持つ中性長寿命粒子を効果的に検出するためのトリガ戦略は何か？
• RQ4 隠れたバレー（Hidden Valley）モデルの文脈において、署名ベースのトリガの期待されるバックグラウンド率と信号効率は何か？
• RQ5 異なる長寿命粒子モデルにおいて、3個の信号イベントを観測するために必要な統合放射線量は何か？

主な発見

• CMSは二重 β 測定戦略を用いることで、1 fb⁻¹ の統合放射線量あたり1件未満のバックグラウンドレベルを達成し、高感度探索を可能にしている。
• グルーシノの発見は、1 fb⁻¹ 以上の統合放射線量で1 TeVを超える質量に対して可能であり、GMSBモデルにおける安定したスタウは数百 pb⁻¹ で発見可能である。
• ATLASは、h⁰ → πᵥπᵥ からのずれた崩壊を示すイベントの約20％を、署名ベースのトリガでトリガ可能であり、QCDバックグラウンドは無視できるほど低い（レベル2での受容率6 nb）。
• ハドロンカリブレータ内での遅延崩壊するLLPに対するレベル1ミューオントリガ効率は、崩壊頂点が4500 mmに近づくにつれて、約3.5候補/コーン（ΔR = 0.4）で飽和する。
• πᵥ崩壊からのジャケットにおける log₁₀(E_HAD/E_EM) の比は、崩壊頂点が電磁カリブレータに近い位置からハドロンカリブレータの外縁部に移動するにつれて、負の値から正の値に変化する。
• 1.5 mの崩壊長に対して、新しいトリガ戦略により、Higgs粒子が長寿命中性粒子に崩壊する場合の受容率は全サンプルの15.7％にまで上昇し、ミューオンクラスタトリガ単体でも9％の効率を達成している。