[논문 리뷰] Boosted Tops from Gluino Decays

J. Berger, Maxim Perelstein외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 제3세대 스퀘어크와 같은 자연스러운 초대칭 모델에서 질량이 가벼운 제3세대 스퀘어크를 갖는 글루아인의 붕괴를 탐지하기 위해, 고급 제트 서브스트럭처 기법을 활용해 상위 태깅된 제트를 사용하는 것을 제안한다. 이 방법은 14 TeV LHC에서 10 fb⁻¹의 데이터로 글루아인 질량이 1.3–1.4 TeV에 이르는 영역까지 발견 가능성을 크게 향상시킨다. 기존의 MET 기반 탐색 방식에 비해 고질량 영역에서의 감도가 높아진다.

ABSTRACT

Naturalness considerations, together with the non-observation of superpartners of the Standard Model particles at the Large Hadron Collider (LHC) so far, favor supersymmetric (SUSY) models in which third generation squarks are significantly lighter than those of the first two generations. In such models, gluino pair-production is typically the dominant SUSY production process at the LHC, and it often leads to final states with multiple top quarks. Some of these top quarks may be relativistic in the lab frame, in which case their hadronic decays may produce "top jets". We propose that the recently developed techniques for tagging top jets can be used to boost sensitivity of the LHC searches for this scenario. For example, within the simplified model used for this study, we estimate that a search with 2 top-tagged jets can probe gluino masses of up to about 1 TeV at the 7 TeV LHC with 30 inverse fb integrated luminosity.

연구 동기 및 목표

• 제1 및 제2세대 스퀘어크보다 질량이 가벼운 제3세대 스퀘어크를 갖는 자연스러운 초대칭 모델에서 글루아인 탐색의 감도를 향상시키는 것.
• 기존의 MET 기반 탐색 방식이 큰 표준모형 배경 꼬리로 인해 감도가 떨어지는 고질량 글루아인 시나리오에서 신호 대 배경 비율이 낮아지는 문제를 해결하는 것.
• 초과 차원과 무거운 레이저에 대해 개발된 상위 태깅 기법을, 글루아인 계단 붕괴에서 빠르게 움직이는 상위 쿼크를 식별하는 데 새로운 수단으로 활용할 수 있는지 탐색하는 것.
• 특히 MET 기반 탐색이 배경 시스템에 의해 제한되는 경우, 상위 태깅된 제트가 무거운 글루아인을 탐지하는 데 보조적이고 강력한 서명으로 기능할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 글루아인, 스토퍼, 중성미온 LSP만을 포함하는 단순화된 모델을 사용하며, 글루아인이 준항성 스토퍼를 통해 붕괴되어 네 개의 상위 쿼크를 생성한다고 가정한다.
• 빠르게 움직이는 상위 쿼크에서 유래한 하드론 제트를 식별하기 위해 상위 태깅 알고리즘을 적용하며, 에너지 및 서브스트럭처 특성을 이용해 상위 제트와 경량 쿼크 제트를 구분한다.
• 모든 상위 쿼크가 실험관에서 상대론적으로 운동한다고 가정하여 단일 제트 내에서 융합된 붕괴 생성물을 얻는다.
• 기준점 (m(ġ), m(t̃)) = (1000, 500) GeV를 사용해 절단 조건을 최적화하며, 상위 태깅된 제트의 개수와 함께 미량 운동량(MET ≥ 175 GeV)을 요구한다.
• 배경은 QCD 다중제트 과정과 톰 페어 생성 같은 표준모형 과정을 사용하여 모델링하며, 실수 태깅 확률을 적용해 불가피한 배경을 추정한다.
• 통계적 유의성은 신호 대 배경(S/B) 비율과 기대 유의성(예: 14 TeV에서 10 fb⁻¹일 경우 6.5σ)을 통해 평가하며, 매개변수 공간 전반에 걸쳐 발견 가능성을 맵핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제3세대 스퀘어크가 가벼운 자연스러운 초대칭 모델에서 상위 태깅 기법이 글루아인 탐색 감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 강한 MET 서명이 없는 상황에서 상위 태깅된 제트를 사용해 탐지 가능한 최대 글루아인 질량은 얼마인가?
• RQ3 상위 태깅된 제트를 포함한 탐색 방식이 기존의 MET 기반 탐색 방식에 비해 신호 대 배경 비율과 통계적 유의성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 상위 태깅된 제트 탐색의 감도를 제한하는 주요 불가피한 배경과 감소 가능한 배경은 무엇이며, 이를 어떻게 추정하거나 억제할 수 있는가?

주요 결과

• 세 개의 느슨한 상위 태깅과 MET ≥ 175 GeV 조건을 요구하는 탐색은 14 TeV에서 10 fb⁻¹의 통합 루미너스성에서 (m(ġ), m(t̃)) = (1000, 500) GeV 기준점에서 통계적 유의성이 6.5σ에 도달한다.
• 스토퍼 질량이 300–700 GeV 범위에 있을 경우, 상위 태깅된 제트를 사용한 방법은 글루아인 질량이 1.3–1.4 TeV까지의 발견 가능성을 제공하며, 발견 영역 전반에서 S/B > 10를 유지한다.
• 14 TeV에서 10 fb⁻¹ 데이터셋에 대해 절단 후 예상되는 신호 수는 8.5개 이며, 고질량 영역에서도 강력한 감도를 보임을 시사한다.
• QCD 다중제트 배경을 억제하기 위해 MET 절단이 필수적임을 발견하였으며, MET 절단이 없을 경우 S/B 비율은 약 0.1로 떨어져 감도 확보가 불가능해진다.
• MET 절단이 없더라도 가장 민감한 탐색은 세 개의 느슨한 상위 태깅을 요구하는 것으로, 그러나 QCD 배경이 지배적이므로 통계적 유의성은 약 4.5σ에 그친다.
• 결과적으로 상위 태깅 기법은 특히 MET 기반 탐색이 배경 외삽에 의해 제한되는 상황에서 고질량 글루아인 탐색의 감도를 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다.