[논문 리뷰] Hidden Thresholds: A Technique for Reconstructing New Physics Masses at Hadron Colliders

Peisi Huang, N. Kersting외 1명|ArXiv.org|2008. 01. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 15인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 레이저 콜라이더에서 측정할 수 없는 부분입자 중심질량 에너지 조건에서도, 다입자 붕괴 체인에서 상관관계 있는 관측 질량 끝점들을 활용하여 뉴 피직스(NP) 질량을 복원하는 '히든 스위치트레시홀'(Hidden Threshold, HT) 기법을 소개한다. 이 방법은 최종 상태의 제트 및 레프톤 관측 질량의 2차원 또는 3차원 산점도에서 명확한 군집으로써 임계점 생산 조건을 드러내어 정확한 질량 결정을 가능하게 한다. 이는 저광도 LHC 운행(10–30 fb⁻¹) 조건에서 중성차 및 스넬레프톤 질량에 대해 10% 이내의 정확도를 달성함을 입증하였다.

ABSTRACT

We present an improved method of reconstructing New Physics (NP) masses from invariant mass endpoints. While the traditional method focuses on a single NP decay, our method considers the decays of two or more NP particles ($ABC...$) in a grander decay chain: $ anything o ABC... o ... o jets + leptons$. Though the center-of-mass energy $E_{CM}$ of `anything' varies unpredictably at a hadron collider, a sample of many events nonetheless expresses features of threshold production $E_{CM} = m_A + m_B + ...$: invariant masses constructed from the final jet and lepton momenta are correlated in a way that makes their threshold endpoints visually obvious in a scatterplot. We illustrate this technique for the production of two neutralinos in the MSSM: $anything o \widetildeχ_{i}^0 \widetildeχ_{j}^0$ ($i,j=2,3,4$) which subsequently decay via on- or off-shell sleptons to four leptons. Assuming the relevant SUSY spectrum is below $1 TeV$ and squarks/gluinos eventually decay to neutralinos, our MC study shows that one low-luminosity year at the LHC ($10-30 fb^{-1}$) can quantitatively determine on- versus off-shell decays and find the relevant neutralino and slepton masses to less than 10 percent.

연구 동기 및 목표

• 부분입자 중심질량 에너지가 조절 불가능하고 공명이 없는 환경에서 레이저 콜라이더에서 뉴 피직스 질량을 측정하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 독점 채널, 배경 억제 및 피팅 절차에 의존하는 전통적 끝점 방법의 한계를 극복한다.
• 다양한 뉴 피직스 입자를 포함한 복잡한 붕괴 체인에서 임계점 생산 신호를 식별하고 추출할 수 있는 모델에 종속되지 않는 방법을 개발한다.
• 고광도 데이터나 복잡한 피팅 절차 없이도 슈퍼대칭(SUSY) 모델—특히 중성차 및 스넬레프톤 질량—에 대해 강력하고 정량적인 질량 결정을 가능하게 한다.

제안 방법

• 임계점 생산 조건에서 동시에 극값을 가지는 다수의 관측 질량이 발생하는 뉴 피직스 입자(예: $\tilde{\chi}_i^0 \tilde{\chi}_j^0 \to \ell^+\ell^-\ell^+\ell^-$)를 포함한 붕괴 체인을 식별한다.
• 뉴 피직스 질량의 함수로 관측 질량 끝점(예: $M_{4l}$, $\overline{M}_{2l2l}$, $\overline{M}_{3l}$)에 대한 해석적 표현을 수립한다.
• 다양한 $m_{\mathbb{X}}$ 값 범위에서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여, 임계점 이상의 생산 조건을 포함한 이벤트를 생성하고 관측 질량 상관관계를 분석한다.
• 예를 들어 $\overline{M}_{3l}$ 대 $M_{4l}$와 같은 관측 질량 쌍을 플롯하여, 임계점에서의 명확한 군집을 확인한다. 이는 상위 임계점 이벤트에 의해 가려져 있어도 가능하다.
• 산점도에서 임계점의 가시성을 활용하여 피팅 없이도 직접 질량 값을 추출한다. 기하학적 교차점 또는 의사-임계점( pseudo-thresholds)을 활용한다.
• 산점도에서 관측 질량 극값의 상대적 행동을 분석하여, 온셸프(off-shell) 및 오프셸프(on-shell) 스넬레프톤 붕괴를 구분한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정할 수 없는 부분입자 중심질량 에너지 조건에서도, 다입자 뉴 피직스 붕괴 체인에서 임계점 생산이 관측 질량 산점도에서 명백하게 식별될 수 있는가?
• RQ2 임계점 이상의 이벤트를 포함함으로써, 다중 관측 질량 상관관계에서 임계점 신호가 오히려 강화되는가, 아니면 가려지는가?
• RQ3 히든 스위치트레시홀 기법이 공명 피팅이나 배경 모델링에 의존하지 않고도 여러 뉴 피직스 입자(예: 중성차 및 스넬레프톤)의 정밀 질량 결정을 가능하게 하는가?
• RQ4 저광도 환경에서 실제 LHC 조건에서 이 방법이 온셸프 대 오프셸프 스넬레프톤 붕괴를 얼마나 정확하게 구분할 수 있는가?
• RQ5 히든 스위치트레시홀 방법이 MSSM 이외의 다른 뉴 피직스 모델로 일반화될 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 히든 스위치트레시홀 기법은 상위 임계점 이벤트와 겹쳐져 있더라도, 관측 질량의 2차원 산점도에서 명확한 군집으로써 임계점 생산 조건을 성공적으로 드러낸다.
• 온셸프 스넬레프톤 붕괴의 경우, $\overline{M}_{3l}$ 대 $M_{4l}\overline{M}_{2l2l}$ 산점도에서 의사-임계점을 식별함으로써 진짜 값에 비해 몇 퍼센트 내외의 질량 해상도를 달성한다.
• 오프셸프 스넬레프톤 붕괴의 경우, $M_{ee}$ (또는 $M_{\mu\mu}$)가 최대가 되고, $M_{4l}$, $\overline{M}_{2l2l}$, $\overline{M}_{3l}$, $\overline{M}_{ll}$ 가 최소가 되는 경향을 관찰함으로써 붕괴 모드를 구분할 수 있다.
• 저광도 LHC 운행(10–30 fb⁻¹) 조건에서, 이 방법은 중성차 및 스넬레프톤 질량을 10% 이내의 정확도로 결정할 수 있으며, 실제 실험 조건에서의 실현 가능성을 입증한다.
• 배경 이벤트가 임계점 이벤트와 동일한 관측 질량 상관관계를 재현하지 않기 때문에, 이 방법은 퍼져 있는 배경에 대해 강건하다.
• 이 기법은 중성차, 카리노, 스넬레프톤, 스퀴어크, 글루아이노, 그리고 이국적 입자 쌍 생성을 포함한 다양한 뉴 피직스 모델로 일반화 가능하며, 복잡한 붕괴 체인에서 최대 588개의 관측 질량까지 적용 가능하다.