[論文レビュー] SUSY Searches in All-Hadronic States with Large MET at the LHC

M. Tytgat|ArXiv.org|Oct 4, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるATLASおよびCMS共同調査のデータを用いて、大規模な消失横断運動量（MET）を伴う全ハドロン最終状態における超対称性（SUSY）探索について包括的な研究を提示している。両実験がデータ駆動型バックグラウンド推定法およびMETクリーニング技術を用いて標準模型背景と機器的影響を低減した結果、初期LHCデータにおける低質量SUSYの探索可能性が強く示された。インクルーシブなマルチジェット＋高METの最終状態は、mSUGRAパラメータ空間において両実験とも5σの発見感度を達成しており、強い発見可能性を示している。

ABSTRACT

The CMS and ATLAS search strategy for SUSY in inclusive multijet plus high missing transverse energy final states is reviewed. This canonical SUSY signature may be a viable discovery channel for low mass SUSY in the early phase of the LHC. Methods for Standard Model background estimates, MET studies and filters for instrumental background are presented.

研究の動機と目的

• 初期LHCにおける超対称性（SUSY）の発見可能性を、インクルーシブなマルチジェット＋高消失横断運動量（MET）最終状態として評価すること。
• QCDマルチジェットおよびトップクォーク対生成と同様の主要な標準模型バックグラウンド寄与を、データ駆動型推定法およびMETクリーニングによって低減すること。
• イベントレベルの変数（$F_{em}$および$F_{ch}$）を用いて、ビームハロ、宇宙線、検出器ノイズなどの機器的影響に起因する偽METを低減し、MET分解能を向上させること。
• 全ハドロン最終状態におけるQCDおよびレプトン的バックグラウンドを効果的に抑制しながら、SUSY信号の受容率を最大化する堅牢なイベント選別基準を開発すること。
• 1 fb⁻¹の統合した放射線量を用いて、ATLASおよびCMSのmSUGRAパラメータ空間への感受性を評価すること。特に全ハドロンチャンネルに焦点を当てる。

提案手法

• 標準模型バックグラウンドを直接データから推定するデータ駆動型手法を用い、モンテカルロシミュレーションへの依存を最小限に抑え、系統的不確実性を低減する。
• ジェットの電磁分率（$F_{em}$）および帯電分率（$F_{ch}$）に基づくMETクリーニング手順を適用し、ビームハロ、宇宙線、電子的ノイズ背景を低減する。
• イベント選別カットを採用：ATLASでは$N_{jet} \geq 4$、$P_T^{j1} > 100$ GeV、$P_T^{j4} > 50$ GeV、$E_T^{miss} > 100$ GeV、レプトンなし、および横断的球度$S_T > 0.2$；CMSでは$N_{jet} \geq 3$、$E_T^{j1} > 180$ GeV、$E_T^{j2} > 110$ GeV、$E_T^{j3} > 30$ GeV、$E_T^{miss} > 200$ GeV、および$H_T > 500$ GeV。
• CMSでは間接的レプトンバイトを採用：最初のジェットに対して$f_{em} < 0.9$を要件とし、非分離な最初のトラックを要件とすることで、$W$、$Z$、および$t\bar{t}$に類似するイベントを明示的なレプトン識別なしに除外する。
• 再構成されたトップ質量分布におけるサイドバンド減算法を用いて$t\bar{t}$バックグラウンドを推定し、信号領域およびサイドバンド領域を用いて$E_T^{miss}$の形状をモデル化し、データに正規化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期LHCにおけるインクルーシブなマルチジェット＋高MET最終状態は、低質量超対称性の探索に有効なチャンネルとみなせるか？
• RQ2 データ駆動型手法は、全ハドロン最終状態におけるQCDマルチジェットおよびトップクォーク対生成といった主要な標準模型バックグラウンドをどの程度正確に推定できるか？
• RQ3 $F_{em}$および$F_{ch}$に基づくMETクリーニング技術は、ビームハロや宇宙線などの機器的および非衝突的背景をどの程度効果的に低減できるか？
• RQ4 1 fb⁻¹のデータを用いて、ATLASおよびCMSのmSUGRAパラメータ空間における相対的発見感度はどの程度か？
• RQ5 $b$-タグなしでトップクォーク対バックグラウンド推定を組み込むと、全ハドロンチャンネルにおけるSUSY探索の感受性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• インクルーシブな全ハドロン＋高METチャンネルは、初期LHCデータにおける低質量SUSYの発見可能性が顕著であり、ATLASおよびCMS両者とも、低質量SUSYベンチマーク点において標準模型バックグラウンドを上回る顕著なイベント過剰が予測されている。
• CMSのLM1ベンチマーク点（$m(\tilde{g}) \approx 600$ GeV、$m(\tilde{q}) \approx 550$ GeV）において、選別後の$E_T^{miss}$分布は推定バックグラウンドを大幅に上回る信号過剰を示しており、1 fb⁻¹のデータで顕著である。
• ATLASは、SUSY質量が0.5、1.0、1.5 TeVの各点で類似の信号過剰を観測しており、全ハドロンチャンネルにおける高い感度が示されている。
• 1 fb⁻¹のデータを用いたmSUGRA $(m_0, m_{1/2})$ 平面におけるATLASおよびCMSの$5\sigma$発見感度は、$\tan\beta = 10$、$A_0 = 0$、$\mu > 0$の条件下で低質量領域全体をカバーしており、他のSUSY探索チャンネルと比較して優れた感度を示している。
• 再構成されたトップ質量分布におけるサイドバンド減算法を用いた$t\bar{t}$バックグラウンド推定法は、高$E_T^{miss}$領域における$E_T^{miss}$形状を正確にモデル化できており、$b$-タグなしでも適切なバックグラウンド差し引きが可能である。
• $F_{em} > 0.1$および$F_{ch} > 0.175$のクリーニング基準は、大部分のビームハロおよび宇宙線背景を除去しつつ、CMSのLM1ベンチマーク点において約91%のSUSY信号を保持している。