[논문 리뷰] Reconstructing events with missing transverse momentum at the LHC and its application to spin measurement

D. Horton|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 빠진 횡방향 운동량을 가진 LHC 이벤트에서 새로운 물리 입자의 스핀 양자수를 측정하기 위해 확률적 이벤트 재구성 방법을 제안한다. 측정된 가시 운동량과 가정된 질량 및 행렬 요소를 조합하여 스핀에 민감한 운동량 변수(예: 생성 각도)의 확률 분포를 재구성함으로써 스핀 가설 간의 구별 능력을 향상시킨다. 100 fb⁻¹ 루미너시에서 SUSY와 UED 모델을 구별할 때 오류 확률이 약 3%에 그치며, 기존 방법보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

In this article we discuss the measurement of spin at the LHC, in events with two unknown four-momenta. Central to this problem is the identification of spin-dependent kinematic variables and the construction of a statistical test that can distinguish between different spin hypotheses. We propose a method for reconstructing kinematic variables that depend upon the unknown momenta. The method is based upon a probabilistic reconstruction of each event, given the masses of the final and intermediate states and the cross-section of the assumed hypothesis. We demonstrate that this method can distinguish between two spin hypotheses for a specific process, even after mass uncertainties and Standard Model backgrounds are taken into account. We compare our method with another that only utilises the observable momenta of each event. We will show that our method permits an improved discrimination between hypotheses, with a reduced probability of error.

연구 동기 및 목표

• 미측정된 입자로 인해 빠진 횡방향 운동량을 가진 신물리 이벤트에서 스핀 측정의 과제를 해결하기 위해.
• 모르는 운동량에 의존하는 스핀에 민감한 운동량 변수를 재구성하는 방법을 개발하기 위해.
• 가능한 스핀 가설 간의 구별 능력을 관측 가능한 운동량만을 사용하는 것보다 향상시키기 위해.
• 질량 측정 불확실성과 표준모형 배경에 대한 강건성 평가를 위해.

제안 방법

• 각 이벤트별로 확률적 재구성을 사용하며, 가정된 가설(질량, 결합 상수, 스핀)과 행렬 요소를 사용해 관측되지 않은 운동량을 통합한다.
• 각 운동량 변수 O(예: cosθ_A, β_A)에 대해, H가 가설일 때 모든 이벤트에 대해 p(O|E_i, H)를 합하여 분포 q_H(O)를 구성한다.
• 각 가설 하에서 예상되는 p(O|H)와 관측된 q_H(O)를 비교하기 위해 우도 비율 검정 ln(r)을 적용한다.
• SM 배경과 이벤트 선택 조건을 포함한 파arton 수준 시뮬레이션을 사용하여, 루프 쿼크 쌍 생성에 대해 방법을 테스트한다.
• 관측 가능한 cosθ_ll 변수만을 사용하는 기존 방법과의 성능을 비교한다.
• 질량 불확실성 10% 하에서 유의미성(α)과 검정력(1−β)을 평가하여 강건성 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠진 횡방향 운동량을 가진 이벤트에서 알려지지 않은 운동량에 의존하는 스핀에 민감한 운동량 변수를 효과적으로 재구성할 수 있는가?
• RQ2 관측 가능한 운동량만을 사용하는 방법과 비교해, 제안된 확률적 재구성 방법이 스핀 가설 간의 구별 능력을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 질량 측정 불확실성 10%가 스핀 구별 테스트 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 방법은 루프 쿼크 쌍 생성에서 SUSY와 UED 모델을 높은 통계적 검정력으로 구별할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 파arton 수준에서 표준모형 배경과 이벤트 선택 효과에 대해 강건한가?

주요 결과

• 100 fb⁻¹ 루미너시를 사용할 때, 이 방법은 SUSY와 UED 모델을 구별할 때 약 3%의 오류 확률을 달성한다.
• q_H(cosθ_A) 기반 테스트는 3.3% 유의미성과 98.3% 검정력을 확보하며, 질량 불확실성 10% 하에서도 강건성을 유지한다.
• q_H(cosθ_A, β_A)를 사용한 테스트는 질량 불확실성 하에서 성능이 저하되며, m_A가 10% 과소평가될 경우 검정력이 95.2%로 감소한다.
• cosθ_ll 변수만을 사용하는 기존 방법은 약 15%의 오류 확률을 보이며, 제안된 방법보다 현저히 열 劣하다.
• cosθ_A와 같은 변수에 대해서는 질량 불확실성에 대해 강건성을 보이지만, 질량 가정에 민감한 β_A와 같은 변수에 대해서는 성능이 저하된다.
• 다양한 독립된 변수를 조합하면 구별 능력이 향상되지만, 그 성과는 질량 측정 불확실성의 정도에 따라 달라진다.