[논문 리뷰] Kinematical variables towards new dynamics at the LHC

C. Rogan|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 57

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 쌍생성된 질량이 큰 입자가 가시 및 비가시(약하게 상호작용하는) 입자로 붕괴하는 새로운 물리 현상을 규명하기 위해 새로운 운동학적 변수 $M_R$와 $M_{R^*}$를 도입한다. 이 변수들은 운동량 균형과 부스터 불변성을 활용하여 부모 입자의 질량을 재구성하고 운동학적 임계값을 해소하며, 중심질량계 부스터가 비영일 경우 $M_R$에 비해 더 높은 해상도를 제공하는 $\gamma_{R^*}M_{R^*}$를 제공한다.

ABSTRACT

At the LHC, many new physics signatures feature the pair-production of massive particles with subsequent direct or cascading decays to weakly-interacting particles, such as SUSY scenarios with conserved conserved R-parity or $H o W(\ellν)W(\ellν)$. We present a set of dimension-less variables that can assist the early discovery of processes of this type in conjunction with a set of variables with mass dimension that will expedite the characterization of these processes.

연구 동기 및 목표

• 쌍생성된 질량이 큰 입자가 가시 및 비가시 입자로 붕괴하는 LHC에서의 새로운 물리 과정을 더 잘 탐지하고 질량을 측정하기 위한 운동학적 변수를 개발하는 것.
• 약하게 상호작용하는 입자가 탐지되지 않아도 되는 가시 횡방향 운동량이 없는 사건에서 질량을 재구성하는 데 도전하는 문제를 다루는 것.
• 초기 상태 복사 및 중심질량계 부스터에 민감하지 않은 강건한 변수를 제공하여 복잡한 최종 상태에서 신뢰할 수 있는 질량 척도 결정을 가능하게 하는 것.
• 기존 방법을 확장하여 비차원 변수인 $R$과 $R^*$를 도입하여 다이제트 배경을 억제하고 포함된 최종 상태에서 신호 선택을 향상시키는 것.
• R-대칭 보존 초대칭(SUSY)과 표준모형 힉스 보손이 $WW\to\ell\nu\ell\nu$로 붕괴하는 주요 벤치마크 과정에서 이 변수들의 유용성을 입증하는 것.

제안 방법

• $M_R$를 정의한다. 이는 실험 프레임워크(즉, R-프레임)에서 두 가시 붕괴 제품의 3차원 운동량 크기가 동일한 조건에서의 불변 질량이며, 이는 실험 프레임워크에서의 종방향 부스터를 통해 유도된다.
• $M_{R^*}$를 도입한다. 이는 동적으로 결정된 부스터 파라미터 $\beta_{R^*}$를 사용함으로써 잘못 정의된 구성 상태를 피함으로써 안정성과 해상도를 향상시킨 $M_R$의 수정된 형태이다.
• 비차원 변수인 $R$과 $R^*$를 사용하여 운동량 불균형을 정량화하고 잘못 재구성된 다이제트 이벤트를 억제함으로써 신호 대 배경 비율을 향상시킨다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 이 변수들을 배제적 및 포함된 최종 상태 모두에 적용하며, 초대칭에서 에너지가 손실된 경우와 힉스 붕괴에서 $WW\to\ell\nu\ell\nu$의 경우를 포함한다.
• $M_R$과 $\gamma_{R^*}M_{R^*}$의 피크 위치에 대한 해석적 표현을 $M_G$, $M_\chi$, 및 $\gamma_{CM}$에 대해 유도하며, $M_\Delta = (M_G^2 - M_\chi^2)/M_G$에 따라 스케일링되는 것을 보여준다.
• $\gamma_{R^*}M_{R^*}$가 힉스 보손 붕괴에서 $M_H/2$에 피크를 보이고 $M_{R^*}$가 $M_W$에 피크를 보이며, 이는 힉스 및 W 보손의 직접 질량 재구성을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가시 및 비가시 입자로 붕괴하는 쌍생성된 새로운 입자의 질량을 재구성하기 위해 운동학적 변수를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 비영인 중심질량계 부스터가 존재하는 상황에서 기존 변수인 $M_R$에 어떤 수정을 가해야 안정성과 해상도가 향상되는가?
• RQ3 비차원 변수인 $R$과 $R^*$는 비가시 횡방향 운동량이 존재하는 포함된 최종 상태에서 다이제트 배경을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ4 $M_{R^*}$와 $\gamma_{R^*}M_{R^*}$는 R-대칭 보존 초대칭과 같은 복잡한 캐스케이드 붕괴에서 정확한 질량 측정을 제공할 수 있는가?
• RQ5 비동일한 부모 입자 질량을 가진 모델에서 질량 분리 $\delta$에 따라 $M_{R^*}$와 $\gamma_{R^*}M_{R^*}$의 피크 위치는 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• $M_R$는 운동학적으로 금지된 $\gamma_{CM} = 1$ 근처에서 가장 효과적이지만, $\gamma_{R^*}M_{R^*}$는 잘못 정의된 구성 상태 없이 동일한 피크 스케일링을 재현하는 안정적이고 잘 정의된 대안을 제공한다.
• $\gamma_{R^*}M_{R^*}$의 피크 위치는 $\gamma_{CM}M_\Delta$에 따라 스케일링되며, 중심질량계 부스터가 비영일 경우에도 부모 입자의 질량 척도를 정확히 재구성할 수 있다.
• $H\to WW\to\ell\nu\ell\nu$ 붕괴의 경우 $M_{R^*}$는 $M_W$에 피크를 보이고, $\gamma_{R^*}M_{R^*}$는 $M_H/2$에 피크를 보이며, 이는 힉스 질량을 직접적으로 재구성할 수 있음을 보여준다.
• 질량 분리 $\delta$가 존재하는 상황에서 $M_{R^*}$는 $M_\Delta\sqrt{1+\delta}$에 피크를 보이며, 이는 변수가 질량 분리 파rameter에 대해 정확하게 스케일링됨을 보여준다.
• $R^*$ 변수는 균형 잡힌 가시 운동량을 선택함으로써 다이제트 배경을 효과적으로 억제하여 잘못 재구성된 QCD 이벤트를 크게 감소시킨다.
• $\gamma_{R^*}M_{R^*}$ 분포는 고 $p_T$ 배경에서도 $\sqrt{\hat{s}}$에서 날카운 피크를 유지하며, 初기 상태 복사 효과에 대해 강건함을 나타낸다.