[논문 리뷰] Identifying Exclusive Displaced Hadronic Signatures in the Forward Region of the LHC

X. Cid Vidal, Yuhsin Tsai외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 61인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHCb의 뛰어난 입자 식별 능력과 복합점점 재구성 능력을 활용하여, 초거의 힉스 붕괴(h → SS)에서 발생하는 장수하는 경량 스칼라 보손(S)이 이격된 카이온(K⁺K⁻)으로 붕괴하는 경우(S → K⁺K⁻)에 대해 LHCb에서의 독점적 검색을 제안한다. 이 방법은 15(300) fb⁻¹의 데이터로 BR(h → SS)의 감도를 최소 0.1%(0.02%)까지 확보하며, 기하학적 스케일 질량과 밀리미터 수준의 붕괴 길이 영역에서 ATLAS/CMS의 포함적 이격 제트 검색보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

The LHCb detector provides accurate vertex reconstruction and hadronic particle identification, which make the experiment an ideal place to look for light long-lived particles (LLP) decaying into Standard Model (SM) hadrons. In contrast with the typical search strategy relying on energetic jets and a high multiplicity of tracks from the LLP decay, LHCb can identify LLPs in exclusive, specific hadronic final states. To illustrate the idea, we study the sensitivity of LHCb to an exotic Higgs decay $h o SS$, followed by the displaced decay of GeV-scale scalars into charged kaons $S o K^+K^-$. We show that the reconstruction of kaon vertices in narrow invariant mass windows can efficiently eliminate the combinatorial backgrounds from $B$-meson decays. While the same signal is extremely difficult to probe in the existing displaced jet searches at ATLAS/CMS, the LHCb search we propose can probe the branching ratio BR$(h o SS)$ down to $0.1\%$ ($0.02\%$) level with $15$ ($300$) fb$^{-1}$ of data. We also apply this projected bound to two scenarios with Higgs portal couplings, where the scalar mediator $S$ either couples to a) the SM quarks only, or b) to both quarks and leptons in the minimal flavor violation paradigm. In both scenarios we compare the reach of our proposed search with the expected constraints from ATLAS and CMS on the invisible Higgs width and with the constraints from rare B-decays studies at LHCb. We find that for 1 GeV $< m_S < $ 2 GeV and $0.5~{ m mm} \lesssim c τ\lesssim 10$ mm our proposed search will be competitive with the ATLAS and CMS projections, while at the same time providing crucial information of the hadronic interactions of $S$, which can not be obtained from the {\it indirect} measurement of the Higgs invisible width.

연구 동기 및 목표

• ATLAS/CMS의 포함적 이격 제트 검색으로는 접근이 어려운 기하학적 스케일 질량과 밀리미터 수준의 붕괴 길이를 가진 경량 장수 입자(LLPs)를 탐색하는 데 도전하는 것.
• LHCb의 뛰어난 강입자 식별 능력과 복합점점 재구성 능력을 활용하여, S → K⁺K⁻와 같은 이격된 강입자 최종 상태를 독점적으로 재구성할 수 있도록 하는 것.
• 비모델 의존적인 방식으로 경량 스칼라 매개체 S의 강입자 결합에 대한 직접적인 제약 조건을 제공하며, 투명한 힉스 너비와 희귀 B 붕괴에서의 간접 제약 조건을 보완하는 것.
• ATLAS/CMS의 포함적 검색이 실패하는 영역, 특히 저질량·저에너지 장수 입자 붕괴 영역에서 LHCb가 탐색 가능한 매개변수 공간을 입증하는 것.
• 특히 강입자 친화성 또는 프리미티브한 색조직을 가진 매개체에 대해 향후 LHCb에서 독점적 이격 강입자 붕괴 분석을 유도하는 것.

제안 방법

• h → SS 붕괴 후 발생하는 S → K⁺K⁻ 붕괴에서 발생하는 이격된 강입자 점점점 구조를 목표로 하는 LHCb의 전방 영역에서의 독점적 검색 전략을 제안한다.
• B-메손 붕괴에서 기인하는 조합 배경을 억제하기 위해 카이온 쌍의 좁은 진동 질량 창을 사용한다.
• 고효율 강입자 식별을 위해 LHCb의 RICH 검출기와 정밀한 점점점 재구성을 위해 VELO를 활용한다.
• m_S = 1–2 GeV 및 cτ_S ≈ 0.5–10 mm 조건에서 신호 수용율과 배경 억제 능력을 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• ATLAS/CMS의 투명한 힉스 너비 측정과 LHCb에서의 희귀 B-붕괴 연구에서의 기존 제약 조건과의 비교를 수행한다.
• 신호 모델이 힉스 포털 결합을 가진다고 가정하고, 빛의 강도 스케일링을 적용하여 15 및 300 fb⁻¹의 통합 빛의 강도에 대한 감도를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS/CMS의 포함적 검색이 실패하는 영역에서, LHCb는 경량 장수 스칼라가 강입자로 붕괴하는 경우, 초거의 힉스 붕괴 h → SS에 대해 경쟁 가능한 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 독점적 재구성 방식을 통해 전방 영역에서 B-메손 붕괴에서 기인하는 QCD 배경을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 LHCb의 독점적 검색 감도는 투명한 힉스 너비와 희귀 B-붕괴에서의 간접 제약 조건과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 어떤 매개변수 공간(m_S, cτ_S, 결합 구조)에서 LHCb의 독점적 검색이 경량 스칼라 매개체에 대해 가장 강력한 제약 조건을 제공하는가?
• RQ5 S → K⁺K⁻와 같은 독점적 강입자 최종 상태는 간접 측정으로는 확보할 수 없는 S의 강입자 결합에 대해 고유한 정보를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 15 fb⁻¹의 데이터로 LHCb는 m_S = 1–2 GeV 및 cτ_S ≈ 1 mm 조건에서 BR(h → SS)를 최소 0.1%까지 탐색할 수 있으며, 기존의 포함적 검색보다 크게 향상된다.
• 300 fb⁻¹의 데이터로 감도는 0.02% BR(h → SS)까지 향상되며, 동일한 빛의 강도에서 ATLAS/CMS의 예측된 감도와 견줄 만하거나 이를 초월한다.
• 강입자 친화성(S가 렙톤에 비해 반응성이 낮음)인 S에 대해서는 제안된 검색이 관심 있는 매개변수 공간에서 가장 강력한 제약 조건을 설정하며, 향후 LHCb 전용 분석을 유도한다.
• 힉스 유사 결합 상황에서는 검색이 S에 대한 뮤온 결합에 대해 보완적인 정보를 제공하며, 간접 제약 조건에서 배제되는 영역을 결합 강도의 5–10배까지 탐색할 수 있다.
• 독점적 K⁺K⁻ 재구성 방식은 진동 질량 창을 통한 억제를 통해 B-메손 붕괴에서 기인하는 조합 배경을 효과적으로 억제한다.
• 이 방법은 D-메손, 파이온, 또는 바리온과 같은 다른 독점적 강입자 최종 상태로도 확장 가능하며, 경량 장수 입자 탐색을 위한 일반적인 전략을 제공한다.