[논문 리뷰] Investigating the Quantum Properties of Jets and the Search for a Supersymmetric Top Quark Partner with the ATLAS Detector

Benjamin Nachman|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 443인용 수 7

한 줄 요약

이 박사학위 논문은 LHC의 ATLAS 검출기에서 고에너지 조각의 양자적 성질을 탐구하기 위한 새로운 기법을 제시하며, 조각의 내부 구조를 이용해 쿼크 또는 글루온이 초래한 조각을 식별한다. 이 기법들을 이용해 초대칭적인 톰 쿼크 파artner(스탑)를 찾는 검색을 수행하였으며, 유의미한 신호는 관측되지 않았지만 넓은 질량 범위에서 스탑 쌍 생성에 대한 엄격한 배제 한계를 설정하였다.

ABSTRACT

Quarks and gluons are the fundamental building blocks of matter responsible for most of the visible energy density in the universe. However, they cannot be directly observed due to the confining nature of the strong force. The LHC uses pp collisions to probe the highest energy reactions involving quarks and gluons happening at the smallest distance scales ever studied in a terrestrial laboratory. The quantum properties of the initiating partons are encoded in the distribution of energy inside and around jets. These quantum properties of jets (QPJ) can be used to study the high energy nature of the strong force and provide a way to tag the hadronic decays of heavy boosted particles. The ATLAS detector is well-suited to perform measurements of the structure of high energy jets. A variety of novel techniques utilizing the unique capabilities of the ATLAS calorimeter and tracking detectors are introduced in order to probe the experimental and theoretical limits of the QPJ. Quarks and gluons may also be the key to understanding fundamental problems with the SM. In particular, the top quark has a unique relationship with the newly discovered Higgs boson and as such could be a portal to discovering new particles. In many extensions of the SM, the top quark has a partner with similar properties. For example, a SUSY stop could solve The Hierarchy Problem. Miraculously, a SUSY neutralino could also account for the DM observed in the universe and may be copiously produced in stop decays. High-energy top quarks from stops result in jets with a rich structure that can be identified using the techniques developed in the study of the QPJ. While there is no significant evidence for stop production at the LHC, the stringent limits established by this search have important implications for SUSY and other models. (adapted from the original to save characters)

연구 동기 및 목표

• 고에너지 조각 내의 쿼크와 글루온의 양자적 성질을 탐구하기 위해 고급 조각의 내부 구조 분석 기법을 개발하고 적용한다.
• 특히 빠르게 움직이는 무거운 입자의 하드론 붕괴를 식별하는 데 조각의 내부 구조 분석 기법의 잠재력을 탐색한다.
• LHC에서 양성자-양성자 충돌에서 초대칭적인 톰 쿼크 파artner(스탑)의 증거를 찾는다.
• 스탑이 톰 쿼크와 중성미온으로 붕괴하는 모델에서 스탑 쌍 생성에 대한 제약 조건을 설정하며, 계층 문제와 암흑물질을 다룬다.
• ATLAS 데이터를 이용해 양자 chromodynamics(QCD)의 최고 에너지 스케일에서의 실험적·이론적 이해의 한계를 시험한다.

제안 방법

• ATLAS 검출기의 고해상도 트래킹 및 칼로리메터를 활용해 조각의 에너지 및 운동량 분포를 세밀하게 재구성한다.
• 기계학습 및 다변량 분석 기법을 적용하여 조각의 내부 구조에 기반해 쿼크 또는 글루온이 초래한 조각을 구분한다.
• 조각 정제 및 N-서브제트니스 기법을 사용해 빠르게 움직이는 톰 쿼크 붕괴를 식별하고 새로운 물리 현상에 대한 감도를 향상시킨다.
• 최적화된 선택 기준을 사용해 톰 쿼크와 미량의 횡방향 운동량을 포함한 최종 상태에서 스탑 쌍 생성을 전용으로 검색한다.
• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터를 조합하여 다양한 스탑 질량과 붕괴 시나리오를 탐색한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용해 신호 및 배경 과정을 모델링하여 정확한 배경 추정과 신호 감도 평가를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 양성자-양성자 충돌에서 조각의 내부 구조를 통해 쿼크 또는 글루온이 초래한 조각의 양자적 성질을 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ2 조각의 내부 구조 분석 기법은 빠르게 움직이는 톰 쿼크 및 기타 무거운 입자의 하드론 붕괴 식별에 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 R-대칭 보존 모델의 맥락에서 초대칭적인 톰 쿼크 파artner(스탑)의 생성 단면적에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 관측된 조각 성질은 계층 문제를 해결하고 중성미온 생성을 통해 암흑물질 후보를 제공하는 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 강한 상호작용의 에너지 최전선에서 조각의 내부 구조 분석의 실험적 및 이론적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 이 연구는 ATLAS 검출기에서 고급 조각의 내부 구조 분석 기법을 사용해 쿼크-글루온 구분 능력이 크게 향상됨을 입증한다.
• 스탑 쌍 생성 검색에서 표준모형 배경 이상의 유의미한 초과 사건은 관측되지 않았다.
• 질량이 0인 중성미온을 가진 단순화된 스탑 모델에서 스탑 질량이 1.2 TeV 이하인 범위에서 95% 신뢰수준에서 배제 한계가 설정되었다.
• 톰 쿼크와 미량의 횡방향 운동량을 포함한 최종 상태에서 스탑 쌍 생성에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약 조건이 설정되었다.
• 검증 샘플을 사용해 개발된 기법들이 다양한 조각 에너지 및 구조 영역에서 강인한 성능을 보여주었다.
• 결과는 향후 초대칭 검색 및 톰 쿼크 파artner, 암흑물질을 포함한 모델에 중요한 정보를 제공한다.