[論文レビュー] Searches for long-lived and highly-ionizing particles at the CMS and ATLAS experiments

Teresa Lenz|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、CMSおよびATLAS実験において、エネルギー損失単位長さあたり（$dE/dx$）を主要な識別子として用い、長寿命で高イオン化度の粒子の探索を実施した。多電荷または磁気モノポールに類似した粒子による高い$dE/dx$値を活用することで、断面積の上限を設定し、特に650 GeVまでの二重電荷粒子や$g_D = 1.0$の磁気モノポール（1340 GeVまで）のモデルを除外した。

ABSTRACT

Long-lived particles are contained in a variety of beyond Standard Model theories, including supersymmetric models, universal extra dimensions, or technicolor theories. If the lifetime of such a particle is long enough, the particle can enter - or even pass through - the detector before it decays. Therefore, searches for long-lived particles require a very different search strategy compared to conventional searches for particles beyond the Standard Model. If the new particle is not only weakly interacting, the particle can be reconstructed itself and not only via its decay products. A very specific characteristic of such new heavy charged particles is their large ionization losses when traveling through the detector. This article summarizes searches for long-lived particles at the CMS and ATLAS experiments that exploit the potentially high ionization losses per path length (dE/dx) of the new particle. The presented searches are performed on 8 and/or 13 TeV data. Additionally, an overview of the methodology of dE/dx measurements at the CMS and ATLAS experiments is given.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える長寿命粒子で、大きな電荷または低速度による高イオン化損失を示すものを探査すること。
• CMSおよびATLASのトラッキング系において、$dE/dx$測定技術を発展・適用し、高イオン化度粒子を同定すること。
• 多電荷粒子や磁気モノポールのような長寿命粒子について、モデル依存およびモデル独立の断面積上限を設定すること。
• $dE/dx$およびクラスタエネルギー分散を活用して、信号が予想される少ない領域におけるバックグラウンド推定をデータ駆動型手法で改善すること。
• 従来の探索ではカバーできない、特に結合定数が抑制されているか、保存量子数が保たれる新しい物理現象の感度を拡張すること。

提案手法

• CMSでは、シリコントラッキング測定から得られる$dE/dx$の最も確からしい値を算出するために、調和-2推定子$I_h = \left( \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} (\Delta E_i / \Delta x_i)^{-2} \right)^{-1/2}$ を使用した。
• 標準模型のバックグラウンドを抑制するために、非対称スミルノフ＝クラメール＝フォン・ミーゼス識別子を用い、$dE/dx$測定値が最小イオン化粒子（MIP）と整合するかを評価した。
• ATLASでは、遷移放射線トラッカー（TRT）における高しきい値$dE/dx$（$f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$）および高しきい値ヒット数（$N^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$）を用い、高イオン化度トラックを同定した。
• 電磁カルシウム器におけるエネルギー分散$w$と$dE/dx$を組み合わせることで、信号とバックグラウンドの識別を強化した。
• データベース推定を用いて、信号領域におけるバックグラウンドyieldを予測するために、$w$および$f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$の定義された境界を持つ制御領域を用いた。
• 結果の解釈およびさまざまな粒子種別および電荷に対する断面積上限の設定のために、修正された電磁的結合定数を有するDrell-Yan生成モデルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多電荷を有する長寿命で高イオン化度の粒子は、CMSおよびATLASのトラッキング系における強化された$dE/dx$により検出可能か？
• RQ2 $dE/dx$測定値は、標準模型粒子と仮説上の長寿命BSM粒子（高イオン化損失を示すもの）をどれほど効果的に識別できるか？
• RQ3 8 TeVおよび13 TeVでの$dE/dx$ベース探索において、二重電荷粒子および磁気モノポールの感度限界はどの程度か？
• RQ4 $w$および$f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$を用いたデータ駆動型制御領域は、低バックグラウンドで高特徴の領域におけるバックグラウンド推定をどの程度改善するか？
• RQ5 $dE/dx$ベース探索は、LHCにおける従来のBSM探索とどの程度補完的か？

主な発見

• CMSによる長寿命荷電粒子探索において、二重電荷粒子は質量650 GeVまで除外された。
• ATLASによる$g_D = 1.0$の磁気モノポール探索では、8 TeVデータを用い、スピン1/2粒子について1340 GeVまでの質量が除外された。
• 磁気モノポールに対して、モデル独立のフィドーシャル断面積上限0.5 fbが、選別効率がほぼ一定である領域で設定された。
• $dE/dx$ベースの探索戦略により、信号領域におけるバックグラウンドyieldが、$z=2$選別では$0.013 \pm 0.002$、$z \geq 3$選別では$0.026 \pm 0.003$（観測事象数0）で的中した。
• CMSにおける調和-2推定子と尤度識別子は、ランダウ分布に由来するエネルギー損失の尾部バイアスを抑制する、きめ細やかな校正済み$dE/dx$測定を実現した。
• ATLASにおける$w$と$f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$の組み合わせにより、特に低運動量領域において、高イオン化信号と標準模型バックグラウンドの識別が効果的に可能となった。