[論文レビュー] Strategy for early SUSY searches at ATLAS

Shimpei Yamamoto|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、LHCの最初の1 fb⁻¹のデータを用いて、ATLASで初期の超対称性（SUSY）探索を行うデータ駆動型戦略を提示している。主な焦点は、マルチジェット＋大きな欠落横断運動量（E_T^miss）のサーベイランスである。QCDマルチジェットおよびW/Z＋ジェットの標準模型（SM）背景を、イン・サイト補正および横断質量（M_T）法を用いた高度な技術によって推定し、モンテカルロ予測と良好な一致を示した。これにより、グルーギノおよびスクアーカー質量が1 TeVに達するまでの発見可能性が可能となった。

ABSTRACT

The CERN Large Hadron Collider (LHC) is scheduled to commence operation in 2008 and inclusive searches for supersymmetry (SUSY) will be one of our primary tasks in the first days of LHC operation. It is certain that the final state of multijets + missing transverse energy will provide a superior performance in SUSY searches. Strategies to understand the instrumental background and to understand the Standard Model (SM) background are still under development and are urgent issues for the coming data. We describe the strategy for early SUSY searches at the ATLAS experiment using the fist data corresponding to an integrated luminosity up to 1fb^-1, which comprises much progress in the data-driven technique for the SM background estimations.

研究の動機と目的

• LHCの最初の1年間のデータを用いて、モデルに依存しない強固な初期超対称性（SUSY）探索戦略の開発。
• SUSYシグナルを隠蔽する可能性がある主要な標準模型（SM）背景（特にQCDマルチジェットおよびトップクォーク過程）を正確に推定するという、極めて重要な課題の解決。
• 欠落横断運動量（E_T^miss）の補正にデータ駆動型技術を実装し、背景推定におけるモンテカルロシミュレーションへの依存度を低減。
• インクルーシブなマルチジェット＋E_T^miss最終状態を用いて、グルーギノおよびスクアーカー質量が1 TeVに達するまでの感度を達成。
• 背景推定手法をモンテカルロ予測と照合することで、信頼性の高い発見可能性を確保し、制御領域におけるシグナルの汚染を特定。

提案手法

• グルーギノおよびスクアーカーの強い相互作用による高い断面積を活用し、モデルに依存しないSUSYのサーベイランスとして、インクルーシブなマルチジェット＋大きなE_T^miss最終状態を用いる。
• 運動量選択条件を適用：N_jet ≥ 4、p_T^J1 > 100 GeV/c、p_T^J4 > 50 GeV/c、S_T > 0.2、E_T^miss > 100 GeV、およびE_T^miss > 0.2 × M_eff（ここでM_eff = Σ p_T^jet + E_T^miss）。
• シングルレプトン最終状態では、p_T > 20 GeVの分離レプトンおよびM_T > 100 GeVを要件とし、トップおよびW＋ジェット背景への感度を向上。
• QCDマルチジェット背景を、E_T^miss > 60 GeVおよびΔφ(E_T^miss, jet) < 0.1を満たすイベントから導出された、ジェットエネルギーのフラクチュエーション関数R = 1 − (p_T^jet · (p_T^jet + E_T^miss)) / |p_T^jet + E_T^miss|² を用いたデータ駆動型推定法で推定。
• 横断質量（M_T）識別法を用いる：M_T < 100 GeV（制御領域）およびM_T ≥ 100 GeV領域におけるイベント数の比較により、SM背景の割合を正規化し、E_T^miss補正への依存度を最小限に抑える。
• 背景推定の妥当性を検証するため、データ駆動型予測とモンテカルロシミュレーションを比較。特にM_eff > 800 GeVにおいて、誤差内に一致（22.0 ± 0.9 vs. 24.8 ± 1.6 イベント）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLASにおける初期SUSY探索は、1 fb⁻¹のデータのみを用いて、モデル依存性を最小限に抑えながら、どのように高い感度を達成できるか？
• RQ2 モンテカルロシミュレーションに依存せずに、QCDマルチジェットおよびW/Z＋ジェットといった主要なSM背景を正確に推定するためのデータ駆動型技術は何か？
• RQ3 横断質量（M_T）法は、E_T^miss支配の最終状態において、背景の正規化をどの程度向上させ、系統的不確実性を低減できるか？
• RQ4 1 fb⁻¹の統合した放射線量を用いたインクルーシブなマルチジェット＋E_T^missサーベイランスにおいて、mSUGRAモデルにおけるグルーギノおよびスクアーカー質量の期待される発見可能性は何か？
• RQ5 制御領域におけるシグナル汚染が背景正規化に与える影響は何か？また、このバイアスを低減するための手法は何か？

主な発見

• ジェットエネルギーのフラクチュエーションモデルに基づくデータ駆動型QCDマルチジェット背景推定法は、特に高尾部領域においてE_T^miss分布を的確に再現している。
• M_T識別法により、M_eff > 800 GeVにおける背景予測は22.0 ± 0.9イベントとなり、モンテカルロ予測（24.8 ± 1.6 イベント）と良好に一致した。
• 良好な一致が得られたが、M_T < 100 GeVの制御領域におけるシグナル汚染のため、SM背景が約2倍に過剰に推定される可能性があることが判明し、さらなる精錬の必要性が示された。
• 本戦略により、1 fb⁻¹の統合放射線量を用いたインクルーシブなマルチジェット＋E_T^miss最終状態において、mSUGRAモデルでグルーギノおよびスクアーカー質量が1 TeVに達するまでの発見可能性が達成可能となった。
• E_T^missのイン・サイト補正が信頼性高く実現され、シミュレーションへの依存度が低減され、初期LHCデータ解析に耐えうる堅牢な手法となった。
• 本手法は、mSUGRA、AMSB、GMSB、スプリットSUSYを含む複数のSUSYシナリオに有効であり、初期発見に向けた広範な適用可能性を示している。