[논문 리뷰] An improved mass reconstruction technique for a heavy resonance decaying to $ au^+ au^-$

L. Xia|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중간 보존자가 $\tau^+\tau^-$로 붕괴하는 무거운 공명 상태에 대한 새로운 질량 재구성 기법을 제안한다. 이 기법은 비가시 운동량의 크기 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$와 가시/비가시 붕괴 입자의 질량 $m_{\text{vis}}, m_{\text{inv}}$만을 사용하여 미지수를 8개에서 4개로 줄인다. 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 이 변수들을 샘플링하고 최대 우도를 갖는 질량을 선택함으로써, 명시된 질량에 대해 상대적으로 14%의 질량 해상도를 달성한다. 기존 기법들에 비해 중성미온의 운동량에 대한 가정이 필요 없으며, 복잡한 방정식을 풀 필요 없이도 성능이 뛰어나다.

ABSTRACT

For a resonance decaying to $ au^+ au^-$, it is difficult to reconstruct its mass accurately because of the presence of neutrinos in the decay products of the $ au$ leptons. If the resonance is heavy enough, we show that its mass can be well determined by the magnitude of the momentum of the invisible decay products, $|\vec{p}_{inv}|$, and the mass of the visible/invsible decay products, $m_{vis/inv}$, for $ au$ decaying to hadrons/leptons (4 unknowns in total). We do not need to know all the components of $\vec{p}_{inv}$s and $m_{vis/inv}$s (8 unknonws in total). By sampling all kinematically allowed values of $|\vec{p}_{inv}|$ and $m_{vis/inv}$ according to their distributions in the MC simulations, the mass of the mother resonance is assumed to lie at the postion with the maximal probability. This new mass reconstruction technique inherits the similar idea from the Missing Mass Calculator Technique (MMCT). It has a better performance, since it neither relies on the assumption that only the neutrinos from the tau leptons contribute to the missing transverse energy, nor requires to solve a set of equations. The method is tested using the MC simulations of the reaction $pp o Z/h(125)/h'(750) o au au$ at 13~TeV. The reconstructed mass resolution divided by the nominal mass is found to be about 14\%.

연구 동기 및 목표

• 중성미온이 붕괴 제품에 포함되어 운동량 균형을 흐트려, 무거운 공명 상태가 $\tau^+\tau^-$로 붕괴할 때 정확한 질량 재구성을 어렵게 하는 문제를 해결하기 위해.
• 실험 데이터에서 비가시 중성미온의 전체 운동량 재구성을 실현 가능하지 않기 때문에, 이를 줄이기 위해.
• 특히 고질량 공명 상태에서 기존 기법들인 누락 질량 계산 기법(MMCT)과 비교해 더 나은 질량 해상도를 확보하기 위해.
• 누락 횡방향 에너지에 기여하는 것은 $\tau$-중성미온 뿐이라는 가정을 피하고, 방정식 시스템을 풀 필요 없이 질량 재구성을 수행하기 위해.

제안 방법

• 이 기법은 미지수를 8개에서 4개로 줄이기 위해, 비가시 운동량의 크기 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$와 질량 $m_{\text{vis}}$, $m_{\text{inv}}$만을 운동역학 변수로 사용한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 분포를 기반으로 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$와 $m_{\text{vis/inv}}$의 모든 가능성이 있는 값을 샘플링한다.
• 관측된 운동역학적 구성의 우도를 최대화하는 값이 해당 공명 질량으로 결정된다.
• 누락 질량 계산 기법(MMCT)의 核심 아이디어를 계승하지만, 중성미온 운동량에 대한 가정을 피하고 방정식 시스템을 풀 필요 없이 개선된 성능를 제공한다.
• 이 방법은 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 $pp \to Z/h(125)/h'(750) \to \tau^+\tau^-$의 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었다.
• 공명 질량이 샘플링된 변수로부터 유도된 확률 분포의 피크에 위치해 있다고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미온의 전체 운동량 재구성을 줄이면, $\tau^+\tau^-$로 붕괴하는 고질량 공명 상태의 질량 재구성 정확도가 향상될 수 있는가?
• RQ2 비가시 운동량의 크기 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$와 $m_{\text{vis/inv}}$만을 사용하는 것이 기존 기법보다 더 나은 질량 해상도를 제공하는가?
• RQ3 누락 횡방향 에너지에 기여하는 것은 $\tau$-중성미온 뿐이라는 가정을 제거하면 재구성 성능에 어느 정도 향상되는가?
• RQ4 복잡한 방정식 시스템을 풀지 않으면서도 높은 질량 해상도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 기법을 사용할 경우 고질량 $\tau^+\tau^-$ 공명 붕괴에서 달성 가능한 질량 해상도는 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 기법은 약 14%의 재구성 질량 해상도를 명시된 공명 질량에 대해 달성한다.
• 누락 횡방향 에너지에 기여하는 것은 $\tau$-중성미온 뿐이라는 가정 없이도 성능이 향상되어 더 견고하다.
• 방정식 시스템을 풀지 않아 구현이 단순해지고 계산 비용이 감소한다.
• 몬테카를로 분포에서 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$와 $m_{\text{vis/inv}}$를 샘플링함으로써, 공명 질량의 운동역학적 가능성 밀도를 효과적으로 포착한다.
• 기존 기법 대비 미지수를 8개에서 4개로 줄여 정밀도를 향상시키며, 성능이 뛰어나다.
• 13 TeV에서의 $pp \to Z/h(125)/h'(750) \to \tau^+\tau^-$ 시뮬레이션을 통해 방법의 실현 가능성과 성능이 확인되었다.