[논문 리뷰] Effects of invisible particle emission on inclusive variables for determining the scale of new physics at hadron colliders

Andreas Papaefstathiou, B.R. Webber|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 27.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 빛의 없는 입자 방출과 QCD 초기 상태 방사선이 강입자 충돌기에서 새로운 물리 스케일을 탐지하는 데 사용되는 포함 변수에 미치는 영향을 조사한다. 특히 토프 쿼크 쌍과 글루아노 쌍 생성에서의 가시 질량 분포에 초점을 맞춘다. 재정렬 계산 결과는 큰 위상속도 간격(η ~ 3)에서 몬테카를로 결과와 양호한 일치를 보이며, 토프 쿼크 쌍 생성에서는 빛의 없는 방출의 영향이 작지만, 스쿼크(중간 상태)가 더 무거운 것과 관련하여 글루아노 쌍 생성에서는 상당한 영향을 미친다.

ABSTRACT

We examine the effects of invisible particle emission in conjunction with QCD initial state radiation (ISR) on quantities designed to probe the mass scale of new physics at hadron colliders, which involve longitudinal as well as transverse final-state momenta. This is an extension of our previous treatment, arXiv:0903.2013, of the effects of ISR on global inclusive variables. We present resummed results on the visible invariant mass distribution and compare them to parton-level Monte Carlo results for top quark and gluino pair-production at the LHC. There is good agreement as long as the visible pseudorapidity interval is large enough (eta ~ 3). The effect of invisible particle emission is small in the case of top pair production but substantial for gluino pair production. This is due mainly to the larger mass of the intermediate particles in gluino decay (squarks rather than W-bosons). We also show Monte Carlo modelling of the effects of hadronization and the underlying event. The effect of the underlying event is large but may be approximately universal.

연구 동기 및 목표

• 이전의 포함 변수에서의 초기 상태 방사선(ISR) 효과 연구를 확장하여 새로운 물리 탐색에서 빛의 없는 입자 방출을 포함시키는 것.
• LHC에서 토프 쿼크 쌍 생성과 글루아노 쌍 생성에서 빛의 없는 입자 방출이 가시 질량 분포에 어떻게 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 형성 및 기본 이벤트 효과가 재구성된 질량 분포에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 기본 이벤트 효과가 다양한 최종 상태 간에 약간의 일반성(유사성)을 가지는지 확인하는 것.

제안 방법

• 재정렬 기법을 사용하여 토프 쿼크 쌍 및 글루아노 쌍 생성에서 포함 변수에 대한 QCD 초기 상태 방사선 효과를 모델링하는 것.
• 가시 질량 분포에 대해 재정렬 결과를 부분입자 수준 몬테카를로 시뮬레이션과 비교하는 것.
• 특히 스쿼크가 중간 상태인 글루아노 쌍 생성에서의 붕괴 과정에서 발생하는 빛의 없는 입자 방출을 포함하는 것.
• 형성 및 기본 이벤트 효과를 몬테카를로 모델링에 통합하여 최종 분포에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 재정렬 및 몬테카를로 결과 간 신뢰성 있는 비교를 확보하기 위해 큰 위상속도 간격(η ~ 3)을 사용하는 것.
• 다양한 최종 상태 간의 크기를 비교하여 기본 이벤트 효과의 일반성(유사성)을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛의 없는 입자 방출은 토프 쿼크 쌍 생성에서의 가시 질량 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 빛의 없는 입자 방출은 글루아노 쌍 생성에서의 가시 질량에 어떤 영향을 미치며, 왜 이는 토프 쌍 생성보다 더 두드러지는가?
• RQ3 형성 및 기본 이벤트 효과가 새로운 물리 신호 탐색에서 가시 질량 분포를 얼마나 왜곡하는가?
• RQ4 기본 이벤트 효과가 다양한 최종 상태 간의 가시 질량 분포에 대해 약간의 일반성을 가지는가?
• RQ5 빛의 없는 입자가 존재할 때 재정렬 QCD ISR 계산 결과와 부분입자 수준 몬테카를로 시뮬레이션 간의 일치 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 가시 위상속도 간격이 충분히 넓을 경우(η ~ 3), 재정렬 결과는 부분입자 수준 몬테카를로 시뮬레이션과 양호한 일치를 보인다.
• 빛의 없는 입자 방출의 영향은 토프 쿼크 쌍 생성에서는 작으며, 주로 붕괴 체인에서 더 가벼운 W 보손이 중간 상태이기 때문이다.
• 반면, 글루아노 쌍 생성에서는 더 무거운 스쿼크 중간 상태가 존재하기 때문에 빛의 없는 입자 방출의 영향이 상당히 크다.
• 형성 및 기본 이벤트 효과는 가시 질량 분포에 상당한 영향을 미치며, 기본 이벤트 효과는 크지만 다양한 최종 상태 간에 약간의 일반성을 가지는 것으로 보인다.
• 재정렬 및 몬테카를로 결과 간 양호한 일치는 빛의 없는 입자를 포함한 새로운 물리 탐색에서 포함 변수에 대한 재정렬 기법의 활용 가능성을 입증한다.
• 결과는 LHC에서 새로운 물리 시나리오의 정확한 스케일 결정을 위해 빛의 없는 입자 방출의 정확한 모델링이 필수적임을 시사한다.