[논문 리뷰] Don't Miss the Displaced Higgs at the LHC Again

Matthew R. Buckley, V. Halyo외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 고수준 트리거(HLT) 시스템에 대량 병렬 처리(MPC)를 GPU 또는 Xeon Phi 공처리기와 통합하여 이격된 힉스 붕괴를 위한 빠른 후프 변환 기반 트리거를 가능하게 한다. MPC 가속을 활용함으로써, 이 방법은 LHC 런 II 데이터 1 fb⁻¹ 내에서 브랜치 비율이 6×10⁻⁴에까지 낮은 장수명 힉스 모델을 탐지할 수 있는 충분한 트리거 효율성을 달성한다. 이는 현재의 실험적 제한, 특히 낮은 pT와 이격된 제트 트리거의 비효율성으로 인한 문제를 해결한다.

ABSTRACT

A signature often found in non-minimal Higgs sectors is Higgs decay to a new gauge-singlet scalar, followed by decays of the singlets into Standard Model fermions through small mixing angles. The scalar decay can naturally be displaced from the primary vertex. The present experimental constraints on such models are extremely weak, due to low (or zero) trigger rates for the resulting low $p_T$ displaced jets. In this letter, we highlight the advantages of integrating into the trigger system massively parallel computing and coprocessors based on Graphics Processing Units (GPUs) or the Many Integrated Core (MIC) architecture. In particular, if such coprocessors are added to the LHC experiments' high level trigger systems, a fast Hough transform based triggers performed on this hardware would result in significant improvement to displaced searches, sufficient to discover long-lived Higgs models with a small amount of luminosity in Run II at the 14 TeV LHC.

연구 동기 및 목표

• 낮은 pT와 이격된 제트에 대한 트리거 비효율성으로 인해 발생하는 이격된 힉스 붕괴에 대한 실험 감도 부족 문제를 해결하기 위해.
• 현재 HLT 시스템이 높은 임계값과 낮은 효율성으로 인해 장수명 입자를 트리거하지 못하는 한계를 극복하기 위해.
• 후프 변환을 사용한 MPC 기반 트리거가 이격된 힉스 붕괴의 탐지 가능 영역을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.
• 14 TeV LHC 런 II에서 최소한의 루미노시티로 장수명 힉스 모델의 조기 발견을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• GPU 또는 Xeon Phi 공처리기를 LHC의 고수준 트리거(HLT) 시스템에 통합하여 이벤트 데이터의 실시간 대량 병렬 처리를 가능하게 하기 위해.
• 공처리기 하드웨어에 빠른 후프 변환 알고리즘을 구현하여 장수명 입자 붕괴에서 발생하는 이격된 병합점(버텍스)을 탐지하기 위해.
• 트랙 클러스터를 잠재적 병합점 위치로 매핑함으로써 후프 변환을 사용해 이격된 제트의 위상적 패턴, 특히 X → b̄b 붕괴에서의 패턴을 식별하기 위해.
• HLT 이전에 MPC 트리거를 배치하여 더 엄격한 HLT 임계값으로 인한 효율 손실을 방지하고 조기 이벤트 선택을 가능하게 하기 위해.
• GPU/MIC의 높은 병렬성을 활용해 1초당 250개의 피로 충돌 이벤트를 밀리초 내에 처리함으로써 실시간 이격된 병합점 재구성의 가능성을 확보하기 위해.
• MPC 트리거를 사전 필터로 사용하여 데이터 양을 줄이면서도 이격된 붕괴 서명, 특히 저질량 힉스에 대한 감도를 유지하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GPU 또는 Xeon Phi와 같은 대량 병렬 처리 아키텍처가 LHC에서 이격된 힉스 붕괴에 대한 트리거 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 MPC 기반 트리거를 사용할 경우 현재 LHC 루미노시티로 인해 탐지 가능한 최소 힉스 붕괴 비율(BR)은 얼마인가?
• RQ3 MPC 트리거 성능은 기존 HLT 시스템에 비해 이격된 4b 최종 상태의 힉스 붕괴를 탐지하는 데 얼마나 우수한가?
• RQ4 MPC 기반 후프 변환 트리거로는 125 GeV 힉스의 BR이 10⁻³ 이하인 이격 붕괴를 런 II 초반에 탐지할 수 있는가?
• RQ5 MPC 트리거된 이벤트를 사용해 비표준 모델 힉스가 이격된 X → b̄b 상태로 붕괴할 경우, 탐지하기 위해 필요한 루미노시티는 얼마인가?

주요 결과

• 후프 변환 처리를 통한 MPC 트리거는 현재 HLT 시스템 대비 이격된 4b 이벤트에 대해 약 50배의 트리거 효율 향상을 달성한다.
• MPC 트리거를 사용하면 LHC 런 II 데이터 1 fb⁻¹ 내에 표준모형(SM) 힉스가 XX → 4b로 붕괴할 경우 BR이 6×10⁻⁴인 10개의 이벤트를 탐지할 수 있다.
• 현재 HLT 시스템은 동일한 루미노시티에서 125 GeV 힉스의 10개 이벤트 탐지에 대해 BR이 4–10% 이상이어야 하므로, 존재하는 트리거의 비효율성을 명백히 드러낸다.
• 200 GeV 비표준 모델 힉스(h′)가 X → b̄b로 붕괴하고 cτ < 100 mm일 경우, MPC 트리거를 사용하면 기존 HLT 기반 탐색 대비 필요 루미노시티를 최소한 한 계단 이상 감소시킬 수 있다.
• MPC 트리거는 현재 LHC 탐색이 접근할 수 없는 매개변수 영역, 특히 저질량 힉스와 장수명 X 스칼라에 대해 이격된 힉스 붕괴의 탐지를 가능하게 한다.
• 제안된 MPC 기반 트리거 시스템은 HLT 이전에 구현될 수 있어, 향후 고루미노시티 LHC에서 HLT 임계값이 높아질 수록 발생할 수 있는 효율 손실을 피할 수 있다.