[논문 리뷰] Long-lived particle reconstruction downstream of the LHCb magnet

LHCb Collaboration, A. S. W. Abdelmotteleb외 1144명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 73인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험에서 4 T m 디폴드 자석 이하의 하류 영역에 위치한 트래킹 장치의 정보만을 사용하여 장수명 입자(LLP)를 재구성하는 가능성을 입증한다. T 트랙—자기장 이후 하류 트래커에서만 감지된 입자—를 위한 전용 재구성 알고리즘을 개발함으로써, 7.6 m 이하의 거리까지 고해상도 운동량 및 쇄도점 재구성을 달성하였으며, 이는 자석 및 전기 dipole 모멘트 측정과 이국적인 LLP 탐색의 감지 범위를 크게 확장한다.

ABSTRACT

Charged-particle trajectories are usually reconstructed with the LHCb detector using combined information from the tracking devices placed upstream and downstream of the 4\,T\,m dipole magnet. Trajectories reconstructed using only information from the tracker downstream of the dipole magnet, which are referred to as T tracks, have not been used for physics analysis to date. The challenges of the reconstruction of long-lived particles using T tracks for use in physics analyses are discussed and solutions are proposed. The feasibility and the tracking performance are studied using samples of long-lived $\varLambda$ and $K_S^0$ hadrons decaying between 6.0 and 7.6 metres downstream of the proton-proton collision point, thereby traversing most of the magnetic field region and providing maximal sensitivity to magnetic and electric dipole moments. The reconstruction can be expanded upstream to about 2.5 meters for use in direct searches of exotic long-lived particles. The data used in this analysis have been recorded between 2015 and 2018 and correspond to an integrated luminosity of 6\,fb$^{-1}$. The results obtained demonstrate the possibility to further extend the decay volume and the physics reach of the LHCb experiment.

연구 동기 및 목표

• 기존의 재구성 방식이 제한되었던 LHCb 디폴드 자석 영역에서 붕괴하는 장수명 입자(LLP)의 물리 분석을 가능하게 하기 위해.
• 디폴드 자석 이후 하류 트래킹(즉, T 트랙)만을 사용할 경우 저해상도 운동량 및 복잡한 궤도 재구성 문제를 해결하기 위해.
• 현재 30 cm의 제한을 초월해 상호작용 지점에서 7.6 m까지의 붕괴 부피를 확장하여 LLP 탐색의 감지 범위를 넓히기 위해.
• 표준모형의 LLP인 람다 바리온의 자석 및 전기 dipole 모멘트를 정밀 측정하기 위해.
• 수명이 최대 30 ns인 어두운 포톤, 축상입자, 무거운 중성 렙톤과 같은 이국적인 LLP 탐색을 위한 직접적 탐색 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 상호작용 지점에서 7.5–10 m 떨어진 세 개의 하류 트래킹 스테이션(T1–T3)과 내부/외부 트래커(IT/OT)의 정보만을 사용하여 T 트랙 재구성 전용 알고리즘을 개발하였다.
• Λ0_b →J/ψΛ 및 B0 →J/ψK0_S 붕괴에서 궤도 체인 피팅 절차에 기하학적 및 운동학적 제약 조건을 적용하여 운동량 및 쇄도점 해상도를 향상시켰다.
• 관측된 운동량 불확실도 σp/p를 정량화하기 위해 관측된 질량 및 각도 해상도를 통한 오차 전파 기반의 운동량 해상도 모델을 사용하였으며, 주요 식(13)–(17)은 상대 운동량 불확실도를 기술한다.
• 2015–2018년의 시뮬레이션 및 실측 데이터(6 fb⁻¹)를 활용해 성능를 校정하였으며, f(p, ξ, η1, η2) 요소는 운동학적 의존성을 반영한다.
• 배경를 억제하고 신호 순도를 향상시키기 위해 J/ψΛ 및 J/ψK0_S 시스템의 불변 질량 피팅을 수행하였다.
• 수명이 더 긴 이국적인 LLP 탐색을 위해 상류 트래킹(최대 2.5 m)까지의 재구성을 확장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디폴드 자석 영역(6.0–7.6 m 하류)에서 붕괴하는 장수명 입자를, 자석 이후 하류 트랙(T 트랙)만을 사용하여 충분한 운동량 및 쇄도점 해상도로 재구성할 수 있는가?
• RQ2 LHCb 실험에서 Λ →pπ⁻ 및 K0_S →π⁺π⁻ 붕괴로부터 유도된 T 트랙의 가시적 상대 운동량 해상도 σp/p는 얼마인가?
• RQ3 기하학적 및 운동학적 제약 조건을 적용한 붕괴 체인 피팅은 단독 T 트랙 재구성에 비해 운동량 해상도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 상류로의 재구성을 약 2.5 m까지 확장할 경우, 수명이 더 긴 이국적인 LLP 탐색에 대한 감도는 얼마나 향상되는가?
• RQ5 이 방법을 통해 자석장 내에서 스핀 프리세션 효과를 통해 람다 바리온의 자석 및 전기 dipole 모멘트를 정밀 측정할 수 있는가?

주요 결과

• Λ →pπ⁻ 붕괴로부터 유도된 T 트랙의 상대 운동량 해상도 σp/p는 중심 운동량 영역에서 약 0.04이며, 운동학적 변동으로 인해 더 넓고 비대칭적인 분포를 보인다.
• K0_S →π⁺π⁻ 붕괴의 경우 중심 영역에서 σp/p는 약 0.02로, 더 안정적인 운동학적 조건으로 인해 더 높은 해상도를 확보한다.
• Λ0_b →J/ψΛ 및 B0 →J/ψK0_S 붕괴에 대해 붕괴 체인 피팅을 적용한 후 평균 σp/p는 약 0.015–0.02로 향상되었으며, f(p, ξ, η1, η2) ≈1로 나타나 운동학적 의존성이 감소하였다.
• 붕괴 체인 피팅의 강력한 제약 조건 덕분에 운동량 및 의사속도도수( pseudorapidity )에 대한 의존성이 거의 없어져 운동량 해상도가 거의 일정하게 유지된다.
• 이 방법은 상호작용 지점에서 7.6 m까지의 LLP 붕괴 재구성을 가능하게 하여, 이전 30 cm의 제한을 크게 초월한 LHCb의 감지 범위를 확장한다.
• 이 방법은 상류로 약 2.5 m까지 확장 가능하여, 수명이 약 30 ns까지 가능한 이국적인 LLP 탐색에 새로운 감도를 열어준다.