[논문 리뷰] GMSB SUSY models with non pointing photons signatures in ATLAS at the LHC

Damien Prieur|ArXiv.org|2005. 07. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 게이지 매개 초대칭 붕괴(GMSB) 모델을 탐색하기 위해 ATLAS에서 비지향성 광자를 재구성하는 것을 조사한다. 세밀한 검출기 시뮬레이션과 빠른 시뮬레이션 프레임워크를 사용하여, ATLAS 전자기 캘리메터가 가장 가벼운 중성보($\tilde{\chi}^0_1$)에 대해 2%의 질량 해상도를 확보하고 수명 $c\tau$에 대해 5%의 정밀도를 달성함으로써, 기본 초대칭 붕괴 스케일 $\sqrt{F_0}$에 대해 4%의 감도를 확보할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The reconstruction of non pointing photons is a key feature for studying gauge mediated supersymmetry breaking (GMSB) models at the LHC. In this article the angular resolution of the ATLAS electromagnetic calorimeter is characterized from a detailed simulation of the detector. Resulting performances are used to reconstruct GMSB events with a fast simulation program, taking into account reconstruction effects. Finally, the sensitivity to extract the sparticles masses and the lightest neutralino lifetime is estimated.

연구 동기 및 목표

• 장수명 뉴트랄린의 붕괴를 포함한 GMSB 초대칭 모델을 탐색하기 위해 ATLAS에서 비지향성 광자를 재구성하는 전략을 개발하는 것.
• 세밀한 검출기 시뮬레이션을 사용하여 비지향성 광자에 대해 ATLAS 전자기 캘리메터의 극각 해상도를 특성화하는 것.
• GMSB 모델에서 가장 가벼운 중성보($\tilde{\chi}^0_1$)의 질량과 수명을 재구성하는 데 ATLAS 검출기가 갖는 감도를 추정하는 것.
• 재구성된 $c\tau$와 스파르티클 질량로부터 기본 초대칭 붕괴 스케일 $\sqrt{F_0}$와 중성미온 질량 $m_{\widetilde{G}}$에 대한 달성 가능한 정밀도를 결정하는 것.

제안 방법

• 비지향성 광자에 대한 전자기 캘리메터의 각도 해상도를 분석하기 위해 ATLAS 검출기의 세밀한 시뮬레이션을 사용하였다.
• 계산 오차를 보정하기 위해 쇼워 깊이 파arametrization 및 클러스터 재구성 방식을 조정하여, S-형 효과 및 에너지 누설과 같은 체계적 편향을 보정하였다.
• 위치 재구성 편향을 보정하기 위한 반복 알고리즘을 개발하여 비지향성 광자에 대한 해상도를 향상시켰다.
• 에너지, 시간, 각도 해상도를 시험비드 데이터 및 세밀한 시뮬레이션에서 유도한 검출기 효과를 모델링하기 위해 빠른 시뮬레이션 프로그램을 사용하였다.
• 광자의 에너지, 도착 시간, 렙톤 운동량을 사용하여 캐스케이드 붕괴 $\tilde{l}_R \to \tilde{\chi}^0_1 l \to \tilde{G} l \gamma$의 운동학적 재구성을 수행하여 $m_{\tilde{\chi}^0_1}$와 $c\tau$를 결정하였다.
• 실험 프레임에서 $\tilde{\chi}^0_1$ 붕괴의 적합한 시간 분포에 지수 함수를 피팅하여 $c\tau$ 수명을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 전자기 캘리메터는 장수명 중성보 붕괴에서 비지향성 광자를 재구성하기에 충분한 각도 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 비지향성 광자를 포함한 GMSB 모델에서 가장 가벼운 중성보($\tilde{\chi}^0_1$)의 질량 해상도는 얼마인가?
• RQ3 재구성된 광자 도착 시간과 복사점 정보를 사용하여 $\tilde{\chi}^0_1$ 수명 $c\tau$를 측정할 수 있는 정밀도는 얼마인가?
• RQ4 재구성 과정은 기본 초대칭 붕괴 스케일 $\sqrt{F_0}$와 중성미온 질량 $m_{\widetilde{G}}$에 대해 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 지향성 광자에 대해 ATLAS 전자기 캘리메터는 $\sigma_\theta \approx 60$ mrad/$\sqrt{E}$의 극각 해상도를 확보하지만, 비지향성 광자에서는 체계적 편향으로 인해 성능이 떨어진다.
• S-형 보정, 확장된 $5\times3$ 클러스터 재구성, 반복적 위치 보정을 적용한 후 비지향성 광자의 해상도가 크게 향상되었다.
• 모의 실험에서 $c\tau_{\tilde{\chi}^0_1} = 100$ cm일 경우, $m_{\tilde{\chi}^0_1}$의 질량 해상도는 $\sigma_{\tilde{\chi}^0_1} = 1.7$ GeV이고, $m_{\tilde{l}_R}$의 경우 $\sigma_{\tilde{l}_R} = 2.1$ GeV이며, 이는 $10^5$개의 초대칭 사건 기준이다.
• 수명 $c\tau_{\tilde{\chi}^0_1}$는 $c\tau = 100$ cm에서 상대 정밀도 5%로 재구성되었으며, $c\tau$가 10 cm에서 200 cm 사이일 경우 감도 범위는 3%에서 8%이다.
• 기본 초대칭 붕괴 스케일 $\sqrt{F_0}$에 대한 감도는 4%이며, 중성미온 질량 $m_{\widetilde{G}}$에 대한 감도는 8%이다.
• 분석 결과, 광범위한 $c\tau$ 범위에서 $c\tau$ 재구성이 가능하며, 통계적 방법을 탐색하여 현재 시뮬레이션 한계를 초월한 $c\tau$ 범위까지 확장 가능할 것으로 보인다.