[논문 리뷰] On the Phenomenology of Hidden Valleys with Heavy Flavor

Matthew J. Strassler|ArXiv.org|2008. 06. 14.

Remote Sensing and Land Use인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 이중 레프톤 공명이 없고 중량 쿼크(final states)를 가진 히든 밸리 모델을 조사하며, 전통적인 제트 기반 분석이 제트-파트온 대응 관계가 깨지기 때문에 실패함을 밝혀낸다. 대신, 이동한 병합점 수세기, 뮤온 추적, 이벤트 형상 변수와 결합된 미소 에너지를 사용하여 신호를 격리하는 것이 바람직하다. 이상적인 조건에서 단일 제트의 진동 질량(R=0.7)이 가장 유망한 관측 가능성을 보인다.

ABSTRACT

A preliminary investigation of a large class of Hidden Valley models is presented. These models are more challenging than those considered in arXiv:0712.2041 [hep-ph]; although they produce a new light resonance which decays to heavy standard model fermions, they exhibit no light dilepton resonance. A heavy $Z'$ decaying to v-hadrons, which in turn decay mainly to bottom quarks and tau leptons, is considered; six case studies are investigated, using a new Monte Carlo simulation package. It is found that the one-to-one correspondence of jets and partons is badly broken, and the high-multiplicity heavy-flavor signal probably cannot be isolated by counting jets, with or without heavy-flavor tags. Instead, other measures, such as counting and correlating vertices or displaced tracks, and possibly counting of (non-isolated) muons and use of event-shape variables, should be combined with scalar transverse energy and/or missing transverse energy to reduce backgrounds. Within the resulting sample, searches for the v-pion mass resonance in both di-jet and single-jet invariant mass can help confirm a signal. The best observable in a perfect calorimeter seems to be single-jet invariant mass for jets of larger radius ($R$=0.7), although this needs further study in a realistic setting. A more detailed signal-to-background study is needed as a next step, but will face the difficulty of estimating the various high-multiplicity backgrounds.

연구 동기 및 목표

• 프롬프트 붕괴와 함께 바텀 쿼크 및 타우 레프톤으로 구성된 최종 상태를 가지며 이중 레프톤 공명이 없는 히든 밸리 모델의 현상학을 조사하기 위해.
• 높은 다중성, 비열역학적 이벤트에서 큰 이벤트 간 변동성이 있는 배경 추정의 곤경을 해결하기 위해.
• 파트온-제트 대응 관계가 붕괴되는 상황에서 표준 제트 수세기 이외의 타당한 검색 전략을 규명하기 위해.
• v-파이온 공명의 존재를 확인하기 위해 단일 제트 및 이중 제트의 진동 질량 분포의 잠재력을 평가하기 위해.
• 실제 검출기 조건에서 강력하고 비표준 관측 가능성을 규명함으로써 향후 신호 대 배경 연구의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 히든 밸리 모델의 여섯 가지 사례 연구에 대해 중량 Z′이 v-하드론으로 붕괴하는 이벤트를 생성하기 위해 새로운 몬테카를로 시뮬레이션 패키지(HVMC 0.5)를 사용하였다.
• R 매개변수(0.4, 0.52, 0.7, 1.0)를 다양하게 설정한 FastJet $k_{T}$ 및 콘 기반 제트 알고리즘을 사용하여 제트를 재구성하고, 이를 파트온 제트와 비교하였다.
• 다양한 알고리즘을 통해 파트온 제트와 하드론 제트 간의 $p_T$ 및 위상각 일치를 사용하여 제트-파트온 대응 관계를 분석하였다.
• 비표준 관측 가능성을 평가하기 위해 이동한 병합점 수세기, 비등속 뮤온 추적, 스칼라 $H_T$ 및 미소 횡방향 에너지와 조합된 이벤트 형상 변수를 사용하였다.
• v-파이온 붕괴에서 잠재적인 공명을 식별하기 위해 이중 제트 및 단일 제트의 진동 질량 분포를 연구하였다 (R=0.7).
• 다양한 알고리즘 간의 제트 재구성 성능을 비교 분석하였으며, 중간점 콘 및 다양한 R 설정을 가진 $k_{T}$ 알고리즘을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트-파트온 대응 관계의 붕괴가 높은 다중성, 중량 쿼크를 가진 히든 밸리 신호의 격리 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이중 레프톤 공명이 없고 이벤트 간 다중성 변동성이 큰 히든 밸리 모델에서 배경을 효과적으로 줄일 수 있는 대체 관측 가능성이 무엇인가?
• RQ3 단일 제트 진동 질량에서 v-파이온 공명에 대한 최적의 감도를 제공하는 제트 재구성 알고리즘과 반경(R)은 무엇인가?
• RQ4 표준 공명 서명이 없는 상황에서 이동한 병합점과 비등속 뮤온이 v-하드론 붕괴를 식별하는 데 효과적인 수단이 될 수 있는가?
• RQ5 이벤트 형상 변수와 미소 횡방향 에너지는 스칼라 $H_T$ 와 어떻게 조합되어 실제 배경에서 신호의 가시성을 향상시키는가?

주요 결과

• 고다중성 히든 밸리 이벤트에서 파트온과 제트 간 일대일 대응 관계가 심각하게 붕괴되어 표준 제트 수세기로는 신호 격리가 불가능하다.
• R=0.7인 제트에 대한 단일 제트 진동 질량 분포는 이상적인 칼로리메터 조건에서 v-파이온 공명을 관측할 잠재력이 가장 높지만, 실제 검출기 조건에서의 추가 연구가 필요하다.
• 이동한 병합점 수세기, 비등속 뮤온 추적, 이벤트 형상 변수 및 미소 횡방향 에너지의 조합은 제트 수세기만으로는 더 강력한 신호 식별 전략을 제공한다.
• $k_{T}$ 및 콘 알고리즘 모두 하드론 제트에서 파트온 제트를 성공적으로 재구성하지만, R 값이 클수록 대응 관계가 약화되며, 특히 $k_{T}$ 알고리즘의 R=0.91일 경우 뚜렷하게 악화된다.
• 모든 알고리즘과 R 설정에서 최고 $p_T$ 파트온 제트와 하드론 제트는 잘 일치하지만, 이는 낮은 $p_T$ 제트 또는 전체 이벤트 구조에는 확장되지 않는다.
• b-하드론 붕괴에서 유도된 2차 뮤온의 존재는 중요하며, 비트리비얼한 $p_T$ 스펙트럼과 이벤트당 측정 가능한 뮤온 수를 가지며, 이는 뮤온을 신호 수단으로 사용하는 데 유리하다.