[논문 리뷰] Identifying Multi-Top Events from Gluino Decay at the LHC

B. S. Acharya, Phill Grajek외 4명|ArXiv.org|2009. 01. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 53인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 글루아인의 붕괴로부터 다중 토퍼널 끝 상태를 식별하기 위한 피팅 방법을 제안한다. 직접적인 토퍼 퀘이크 재구성 대신 포함 채널 수를 사용한다. 같은 전하의 이중 렙톤과 다수의 b-제트 채널이 초기 발견 잠재력을 가장 높게 보이며, 약 10 fb⁻¹의 루미노사티가 있을 경우 높은 조합 배경에도 불구하고 브랜치 비율과 글루아인 질량을 중간 정도의 정밀도로 추출할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We study the LHC signal of a light gluino whose cascade decay is dominated by channels involving top, and, sometimes, bottom quarks. This is a generic signature for a number of supersymmetry breaking scenarios considered recently, where the squarks are heavier than gauginos. Third generation final states generically dominate since third generation squarks are typically somewhat lighter in these models. At the LHC we demonstrate that early discovery is possible due to the existence of multi-lepton multi-bottom final states which have fairly low Standard Model background. We find that the best discovery channel is 'same sign dilepton'. The relative decay branching ratios into tt, tb and bb states carry important information about the underlying model. Although reconstruction will yield evidence for the existence of top quarks in the event, we demonstrate that identifying multiple top quarks suffers from low efficiency and large combinatorial background, due to the large number of final state particles. We propose a fitting method which takes advantage of excesses in a large number of channels. We demonstrate such a method will allow us to extract information about decay branching ratios with moderate integrated luminosities. In addition, the method also gives an upper bound on the gluino production cross section and an estimate of the gluino mass.

연구 동기 및 목표

• 직접 재구성이 고조합 배경으로 인해 비효율적인 상황에서 글루아인 붕괴에서 다중 토퍼널 끝 상태를 식별하기 위한 방법을 개발하는 것.
• 기본 초월 대칭 스펙트럼에 대한 핵심 정보를 담고 있는 글루아인 붕괴의 tt, tb, bb 끝 상태로의 상대 브랜치 비율을 추출하는 것.
• 포괄적 관측량을 사용하여 글루아인 생성 단면적과 질량을 추정함으로써 일관성 검증과 모델 구별을 가능하게 하는 것.
• 낮은 루미노사티(예: 500 pb⁻¹)에서 식별 가능한 뚜렷한 신호 초과를 보이는 초기 발견 채널을 규명하는 것.
• 다중 포괄 채널의 피팅이 고다중도 이벤트에서 직접 토퍼 퀘이크 재구성의 한계를 극복할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 직접 토퍼 퀘이크 재구성을 의존하지 않고, 다수의 렙톤과 b-제트를 포함한 끝 상태의 포함 수를 관측량으로 사용하는 피팅 프레임워크를 개발한다.
• 다양한 붕괴 토폴로지에 대한 탐지 효율을 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 신호 효율 템플릿을 생성한다.
• 다양한 채널에서 관측된 이벤트 수를 피팅하여 브랜치 비율, 생성 단면적, 글루아인 질량을 추출한다.
• 다중 렙톤, 다중 바텀 끝 상태는 표준모형 배경이 낮아 초기 발견 잠재력이 높다는 사실을 활용한다.
• 가짜 렙톤을 억제하기 위해 렙톤-하드론 관측량 질량(mℓh > mcut) 기반의 격리 조건을 사용한다.
• 베이치마크 모델을 사용하여 방법을 검증하고 질량 가설과 루미노사티 변화에 대한 강건성도 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포함 채널 수 계산이 글루아인 붕괴에서 다중 토퍼널 끝 상태를 식별하는 데 있어 직접 토퍼 퀘이크 재구성보다 우월한가?
• RQ2 LHC에서 글루아인 붕괴가 토퍼가 풍부한 끝 상태로 이루어질 경우, 초기 관측을 위한 최적의 발견 채널은 무엇인가?
• RQ3 다중 채널 피팅 접근법을 사용하여 중간 정도의 루미노사티로 tt, tb, bb 끝 상태로의 상대 브랜치 비율을 측정할 수 있는가?
• RQ4 포함 관측량을 사용하여 글루아인 질량과 생성 단면적을 어느 정도까지 제약할 수 있는가?
• RQ5 고다중도 이벤트에서 현실적인 배경과 조합 문제에 직면했을 때 이 방법의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 같은 전하의 이중 렙톤과 다수의 b-제트 채널이 가장 뛰어난 초기 발견 잠재력을 보이며, 통합 루미노사티 500 pb⁻¹에서도 뚜렷한 신호 초과를 보인다.
• 직접 토퍼 퀘이크 재구성은 한 토퍼에 대해 약 49%의 낮은 효율을 보이며 고조합 배경으로 인해 다중 토퍼 수를 측정하는 데 효과적이지 않다.
• 약 10 fb⁻¹의 루미노사티가 있을 경우, 제안된 피팅 방법은 중간 정도의 정밀도로 글루아인 붕괴 브랜치 비율을 추출할 수 있으며, 이는 모델 구별에 기여한다.
• 이 방법은 글루아인 생성 단면적에 대한 상한을 제공하고 글루아인 질량을 추정할 수 있어 분석의 일관성 검증에 기여한다.
• 효율 질량 관측량은 전체 재구성을 하지 않더라도 질량 간격 M~g - MLSP를 신뢰할 수 있는 방식으로 추정할 수 있다.
• mℓh > mcut와 같은 운동량 변수의 포함은 렙톤 격리 성능을 향상시키고 하드론 활동으로 인한 가짜 배경을 감소시킨다.