[論文レビュー] Stochastic mass-reconstruction: a new technique to reconstruct resonance masses of heavy particles decaying into tau lepton pairs

S. Maruyama|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、加速器における重い粒子がタウレプトン対に崩壊する際の共鳴質量再構成を改善するための新しい技法、確率的質量再構成を提案する。タウ崩壊生成物の運動量分布をベータ関数でモデル化し、2つのタウの横方向運動量を組み合わせることで、特にタウが横方向に近接している場合に、従来の手法よりも優れた質量分解能を達成する。この手法は、欠落横方向運動量に依存せず、ヒッグス粒子や新しい粒子の解析に新たな独立変数を提供する。

ABSTRACT

The invariant mass of tau lepton pairs turns out to be smaller than the resonant mass of their mother particle and the invariant mass distribution is stretched wider than the width of the resonant mass as significant fraction of tau lepton momenta are carried away by neutrinos escaping undetected at collider experiments. This paper describes a new approach to reconstruct resonant masses of heavy particles decaying to tau leptons at such experiments. A typical example is a Z or Higgs boson decaying to a tau pair. Although the new technique can be used for each tau lepton separately, I combine two tau leptons to improve mass resolution by requiring the two tau leptons are lined up in a transverse plane. The method is simple to implement and complementary to the collinear approximation technique that works well when tau leptons are not lined up in a transverse plane. The reconstructed mass can be used as another variable in analyses that already use a visible tau pair mass and missing transverse momentum as these variables are not explicitly used in the stochastic mass-reconstruction to select signal-like events.

研究の動機と目的

• 生成物のニュートリノが運動量を運び、共鳴崩壊における質量分解能が劣化する問題に対処する。
• 欠落横方向運動量や共面近似に依存しない新しい運動量変数を構築し、共鳴質量を再構成する。
• 2つのタウの運動量が横方向平面で一致する場合に、それらの横方向運動量を組み合わせることで、二タウ最終状態における質量分解能を向上させる。
• 特に低ブースト、横方向に近接した状態において、従来の共面近似とは補完的である。
• 標準模型ヒッグス粒子やZ'ボソンのような新しい粒子のタウ+タウ最終状態における正確な質量測定を、解析的に取り扱いやすい新しい再構成手法を用いて可能にする。

提案手法

• n体崩壊における娘粒子の運動量分布をベータ分布でモデル化する：f(x)_{n-body} = (n-1)(1-x)^{n-2}、ここでxは最初の娘粒子の運動量割合である。
• 運動量割合の期待値⟨x⟩ = 1/nを用い、母粒子の静止系における娘粒子1個あたりの平均運動量を推定する。
• 2つのタウが横方向平面で一致するイベントにおいて、それらの運動量割合の和を用いて確率的質量を再構成する。
• pTのしきい値などの運動量選択条件を適用し、特にnが小さい崩壊モードでは平均運動量のバイアスをシミュレートされたデータを用いて補正する。
• Z、ヒッグス、Z'、およびQCD二ジェットイベントに対してこの手法を検証し、再構成された質量ピークが真の共鳴質量と一致することを示した。
• 欠落横方向運動量に依存せず、可視タウ崩壊生成物のみに依存するため、標準的なエネルギー欠落に基づく変数とは直交する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠落横方向運動量に依存しない新たな質量再構成手法を開発し、二タウ最終状態における分解能を向上させることは可能か？
• RQ2 横方向に近接したタウ対の状態において、確率的質量再構成手法は共面近似と比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ3 運動量選択条件（例：pTしきい値）が再構成された質量に与える影響は何か？バイアスはどのように補正できるか？
• RQ4 この手法は、標準模型ヒッグス粒子とZ'ボソンの両方の探索に、どの程度タウ+タウ最終状態で適用可能か？
• RQ5 この手法は、W→τν崩壊のような単一タウ最終状態において、個々のタウ運動量を再構成するために拡張可能か？

主な発見

• 確率的質量再構成手法は、2つのタウが横方向平面で一致する場合に、それらの横方向運動量を組み合わせることで、より優れた質量分解能を達成する。
• n体崩壊における娘粒子の運動量分布はベータ分布に従い、f(x)_{n-body} = (n-1)(1-x)^{n-2} であり、期待運動量割合は⟨x⟩ = 1/n である。
• 1-1パイオン崩壊モードでは、運動量しきい値（例：1 GeV）がゼロしきい値と比較して平均運動量に約5%のずれを引き起こすが、これはシミュレートされたデータを用いて補正可能である。
• この手法は、共面近似が失敗する低ローレンツブースト、横方向に近接した状態で特に有効であり、E_T^missとは補完的な変数を提供する。
• Z、ヒッグス、Z'、QCD二ジェットのシミュレーションにおいて、再構成された質量ピークが真の共鳴質量とよく一致しており、精度測定への応用が妥当であることを検証した。
• この手法は欠落横方向運動量に依存せず、従来の二タウ解析における追加変数として使用可能であり、信号の識別能力を向上させることができる。