[論文レビュー] Tools for estimating fake/non-prompt lepton backgrounds with the ATLAS detector at the LHC

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるATLAS解析において、偽/非プロンプトレプトン背景を推定するための3つのデータ駆動型手法—漸近的行列法、ポアソン尤度行列法、フェイク要因法—を提示する。これらの手法は、ベースラインおよびタイトなレプトン選択基準を用いて、プロンプトとして誤って識別されるレプトンの寄与を推定し、トップクォークおよび新しい物理探索において性能が検証され、マルチレプトン最終状態における信頼性の高い背景推定を示している。

ABSTRACT

Measurements and searches performed with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider often involve signatures with one or more prompt leptons. Such analyses are subject to `fake/non-prompt' lepton backgrounds, where either a hadron or a lepton from a hadron decay or an electron from a photon conversion satisfies the prompt-lepton selection criteria. These backgrounds often arise within a hadronic jet because of particle decays in the showering process, particle misidentification or particle interactions with the detector material. As it is challenging to model these processes with high accuracy in simulation, their estimation typically uses data-driven methods. Three methods for carrying out this estimation are described, along with their implementation in ATLAS and their performance.

研究の動機と目的

• モンテカルロシミュレーションにおけるフェイク/非プロンプトレプトン背景の正確なモデル化の挑戦に応えること。これは、複雑な検出器効果および非摂動的物理学に起因する。
• ATLAS物理学解析の全般にわたる一貫した背景推定を可能にする、標準化され、再現可能なデータ駆動型ツールを開発すること。
• 粒子の誤識別および検出器材料との相互作用の不正確さに起因する、シミュレーション依存のフェイク/非プロンプトレプトン推定からの依存を減らすこと。
• ブレインド解析段階でも統計的およびシステムティック不確実性の制御を保ちながら、信頼性の高い背景推定を可能にすること。
• これらの手法の性能を、微分断面積測定およびモデルに依存しない探索を含む、実際のATLAS物理学解析において検証すること。

提案手法

• これらの手法は、2つのレプトン選択レベル（タイト：信号基準、ベースライン：追加の候補を含む緩い基準、フェイク/非プロンプト率が高いため）を定義することに依存している。
• 漸近的行列法は、実レプトンおよびフェイク効率を用いて、イベントレベルのフェイク重みを計算し、重み付き和を用いてフェイクイベント数を推定する。
• ポアソン尤度行列法は、尤度関数を用いてフェイク収量を推定し、フェイク効率が高い領域で不確実性が低く、負の推定値を回避する。
• フェイク要因法は、すべてのレプトンがタイトなイベントにシミュレーションベースのフェイク率を適用し、ブレインド解析段階でも利用可能である。
• すべての手法は、制御サンプルからの測定効率を用いて信号領域への外挿を実行し、レプトンの運動量およびジェット活動の差異に補正を加える。
• システムティック不確実性は、統計的フラクチュエーション、効率測定バイアス、および実レプトンプロセスの誤モデル化から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シミュレーションがそれらを正確にモデル化できない場合、ATLAS解析においてフェイク/非プロンプトレプトン背景を信頼性高く推定する方法は何か？
• RQ2 漸近的行列法、ポアソン尤度行列法、フェイク要因法の相対的な長所と短所は、フェイク/非プロンプトレプトン寄与の推定においてどのように現れるか？
• RQ3 従来の手法が失敗するフェイク効率が高い領域では、これらの手法はどのように動作するか？
• RQ4 統計的整合性を損なうことなく、これらの手法をブレインド解析にどの程度適用できるか？
• RQ5 効率の外挿および検出器効果に起因するシステムティック不確実性は、最終的な背景推定にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• フェイク効率が高い領域では、ポアソン尤度行列法が漸近的行列法よりも不確実性が低く、負の収量推定を回避する。
• フェイク要因法は、ブレインド解析段階での背景推定を可能にするが、追加のシミュレーション関連の不確実性を導入する。
• これらの手法は、微分断面積測定およびモデルに依存しないマルチレプトン探索に成功裏に適用され、検証領域ではデータと予測の間に良好な一致が得られた。
• システムティック不確実性は、主にベースライン効率を信号領域に外挿する際に支配的であり、特にレプトンの組成および運動量の差異に起因する。
• 漸近的行列法は、負の重みのため、一部のケースで負の推定値を示し、効率のフラクチュエーションに敏感であることが明らかになった。
• すべての手法は制御領域での検証において一貫した性能を示し、ATLAS物理学解析の高優先度タスクにおける使用の信頼性を確認した。