[논문 리뷰] Proposal for a New Reconstruction Technique for SUSY Processes at the LHC

Mihoko M. Nojiri, G. Polesello외 1명|ArXiv.org|2003. 12. 22.

Fusion materials and technologies인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 초대칭(SUSY) 사건에 대한 새로운 운동학적 재구성 기법을 제안한다. 이 기법은 운동량 측정값과 질량-껍질 조건을 사용하여 운동학적 끝점 측정에 의존하지 않고 스퍼티클 질량과 중성차입자 운동량을 결정한다. 여러 사건에 걸쳐 질량-껍질 방정식의 연립 방정식을 풀어, 끝점에서 멀리 떨어진 사건들에서도 글루아진오, 스바텀, 힉스 보존 질량을 정밀하게 재구성할 수 있으며, 시뮬레이션 결과에서 10% 미만의 질량 해상도를 달성한다.

ABSTRACT

When several sparticle masses are known, the kinematics of SUSY decay processes observed at the LHC can be solved if the cascade decays contain sufficient steps. We demonstrate four examples of this full reconstruction technique applied to channels involving leptons, namely a) gluino mass determination, b) sbottom mass determination, c) LSP momentum reconstruction, and d) heavy higgs mass determination.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 운동학적 끝점 근처의 사건에 의존하지 않는 SUSY 캐스케이드 붕괴 재구성 기법을 개발하는 것.
• 운동학적 끝점 방법이 충분한 데이터가 없어 실패하는 고질량 SUSY 시나리오에서 낮은 통계 문제를 해결하는 것.
• 측정된 제트 및 레프톤 운동량과 알려진 입력 질량을 사용하여 스퍼티클 질량(예: 글루아진오, 스바텀, 힉스)을 정밀하게 결정하는 것.
• 결과로 발생하는 미량 운동량을 이용해 가장 가벼운 중성차입자(LSP)의 운동량을 재구성하고, 다른 붕괴 체인을 제약하는 것.
• 중성차입자 붕괴 체인 $H \to \tilde{\chi}^0_2 \tilde{\chi}^0_2 \to \ell\ell\ell\ell\tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_1$ 를 통해 무거운 힉스 보존 질량을 결정하는 데로 방법을 확장하는 것.

제안 방법

• 기법은 붕괴 체인 $\tilde{g} \to \tilde{b} \to \tilde{\chi}^0_2 \to \tilde{\ell} \to \tilde{\chi}^0_1$ 에 대해 다섯 개의 질량-껍질 조건을 사용하여 측정된 운동량과 스퍼티클 질량을 연결한다.
• 모든 스퍼티클 질량 $m_{\tilde{g}}$, $m_{\tilde{b}}$, $m_{\tilde{\chi}^0_2}$, $m_{\tilde{\ell}}$, $m_{\tilde{\chi}^0_1}$ 에 대한 질량-껍질 조건을 포함하는 방정식 연립을 풀며, 후자 세 개의 질량은 사전 측정값으로 알려져 있다고 가정한다.
• 여러 개의 $bb\ell\ell$ 사건에 대해, 동일한 질량 관계가 여러 사건 간 일관성을 보이므로 이를 이용해 알려지지 않은 변수들(예: LSP 운동량, 스퍼티클 질량)을 구한다.
• 동일한 캐스케이드 체인이 여러 사건에서 동일한 질량-껍질 조건을 유도하므로, 전역 피팅이 가능하다는 점을 활용한다.
• 경량 중성차입자 운동량은 $\vec{p}_T(\tilde{\chi}^0_1^{(2)}) = \vec{p}_T(\text{miss}) + \vec{p}_T(\tilde{\chi}^0_1^{(1)})$ 의 횡방향 운동량 균형 방정식을 사용해 재구성하며, 하드 뉴트리노가 없을 경우를 가정한다.
• 힉스 보존 재구성에 대해선, 네 개의 레프톤 운동량과 결합된 미량 운동량을 사용하여 $A$ 또는 $H$ 질량을 재구성하며, 힉스 보존의 $p_T$ 가 작다고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동학적 끝점 측정에 의존하지 않고 LHC에서 스퍼티클 질량을 재구성할 수 있는가?
• RQ2 두 개의 붕괴 체인이 관측될 경우, 가장 가벼운 중성차입자(LSP)의 운동량은 어떻게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 다중 사건 질량 관계 기법을 사용할 때 글루아진오와 스바텀 질량의 도달 가능한 질량 해상도는 얼마인가?
• RQ4 네 개의 레프톤과 미량 운동량이 있는 $\tilde{\chi}^0_2 \to \ell\ell\tilde{\chi}^0_1$ 붕괴에서 중성자 힉스 보존 질량을 재구성할 수 있는가?
• RQ5 레프톤 쌍 정렬의 모호성으로 인한 조합 배경이 있을 경우, 이 방법의 효과성은 어떠한가?

주요 결과

• SPS1a 시나리오에서 시뮬레이션 결과, 재구성된 $A$-보존 질량 해상도가 약 6 GeV에 도달하며, 주로 운동량 해상도에 의해 결정된다.
• 레프톤 쌍 정렬 절차를 거친 후, 질량 분포에 명확하고 좁은 피크를 보이는 사건의 약 30%가 유지된다.
• 여러 개의 $bb\ell\ell$ 사건과 알려진 입력 질량을 사용해 글루아진오 및 스바텀 질량을 10% 이내의 정밀도로 성공적으로 재구성하였다.
• 경량 중성차입자 운동량은 높은 정밀도로 재구성되었으며, 횡방향 운동량 균형을 통해 두 번째 캐스케이드 붕괴 체인에 대한 제약 조건을 설정할 수 있었다.
• 통계가 낮고 끝점 구조가 명확하지 않은 경우에도 이 기법은 효과적이며, 고질량 SUSY 시나리오에 적합하다.
• 붕괴 체인이 하드 뉴트리노를 생성할 경우(예: $W$ 또는 $\tilde{\tau}$ 붕괴를 통해), 질량-껍질 일관성이 깨지므로 이 기법은 실패한다.