[논문 리뷰] Review of opportunities for new long-lived particle triggers in Run 3 of the Large Hadron Collider

J. Alimena, J. B. Beacham외 76명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 대형 하드론 충돌기(Large Hadron Collider)의 런 3에서 장수입자(LLPs)를 탐지하기 위한 새로운 트리거 전략을 검토하며, ATLAS, CMS, LHCb에 맞춤형으로 설계된 새로운 방법을 제안한다. 이는 지연된 붕괴, 이온화된 궤적, 연한 비집합 에너지 패턴과 같은 검출기 특화 서명을 바탕으로 한다. 논문은 런 3의 콘미션 단계 동안 전용 시뮬레이션과 트리거 개발이 필요하며, 기존 커버리지 이외의 장수입자 탐지 가능 범위를 확장하기 위해 이를 강조한다.

ABSTRACT

Long-lived particles (LLPs) are highly motivated signals of physics Beyond the Standard Model (BSM) with great discovery potential and unique experimental challenges. The LLP search programme made great advances during Run 2 of the Large Hadron Collider (LHC), but many important regions of signal space remain unexplored. Dedicated triggers are crucial to improve the potential of LLP searches, and their development and expansion is necessary for the full exploitation of the new data. The public discussion of triggers has therefore been a relevant theme in the recent LLP literature, in the meetings of the LLP@LHC Community workshop and in the respective experiments. This paper documents the ideas collected during talks and discussions at these Workshops, benefiting as well from the ideas under development by the trigger community within the experimental collaborations. We summarise the theoretical motivations of various LLP scenarios leading to highly elusive signals, reviewing concrete ideas for triggers that could greatly extend the reach of the LHC experiments. We thus expect this document to encourage further thinking for both the phenomenological and experimental communities, as a stepping stone to further develop the LLP@LHC physics programme.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 3에서 장수입자(LLPs)에 대한 새로운 트리거 개념을 식별하고 체계화하기.
• 특히 매우 이격되거나 약하게 상호작용하는 신호에 대한 현재의 LLP 탐색 커버리지 격차를 해결하기.
• 런 3의 콘미션 단계 동안 전용 트리거 및 시뮬레이션 도구 개발을 지원하기.
• 장수입자 물리 프로그램을 확장하기 위해 현상학자들과 실험자들 간의 협력을 장려하기.
• LHCb에서의 RICH 반응, 궤적 이sov로피, 연한 에너지 패턴을 기반으로 한 새로운 트리거의 실현 가능성을 평가하기.

제안 방법

• 장수입자에 대한 이론적 동기를 검토하며, 장수명 붕괴 길이와 이국적인 결합을 포함한 모델들을 다룬다.
• 지연된 붕괴, 이온화된 궤적, 연한 비집합 에너지 패턴(SUEPs) 등 검출기 특화 서명을 분석한다.
• ECAL 및 HCAL의 클러스터 점유율과 같은 트랙 기반 변수를 기반으로 한 트리거를 제안한다.
• LHCb의 RICH 부분 검출기가 양성자 질량이 큰 안정 입자(CMSPs)를 식별하는 데 사용될 수 있는 임계 기준이 될 수 있음을 평가한다.
• 전체 데이터 수집 전에 새로운 트리거 알고리즘의 전용 시뮬레이션 및 재구성 연구를 권고한다.
• LLP@LHC 워크숍 및 협업 토론에서 얻은 통찰을 바탕으로 실현 가능한 트리거 경로를 식별한다.

Figure 1: Track types reconstructed at the LHCb experiment by the tracking system Collaboration:1647400 .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 런 3에서 현재 커버리지 이외의 장수입자 탐색 가능 범위를 확장할 수 있는 새로운 트리거 전략은 무엇인가?
• RQ2 LHCb의 업그레이드된 RICH 시스템은 어떤 방식으로 느린 이온화 입자, 예를 들어 CMSPs를 탐지하기 위한 새로운 트리거를 가능하게 하는가?
• RQ3 연한 비집합 에너지 패턴(SUEPs)은 ECAL 및 HCAL의 클러스터 점유율을 통해 효과적으로 식별되고 트리거링될 수 있는가?
• RQ4 이벤트 이sov로피와 같은 트랙 기반 변수는 트리거 수준에서 SUEP 유사 이벤트를 식별하는 데 어떤 역할을 할 수 있는가?
• RQ5 신규 LLP 트리거를 실현 가능하게 하기 위해 필요한 시뮬레이션 및 재구성 개발은 무엇인가?

주요 결과

• LHCb의 향후 RICH 업그레이드를 통해 느린 이온화 입자로부터의 찰렌코프 광자의 부재는 매우 높은 분류 능력을 지닌 서명이 되어, 양성자 질량이 큰 안정 입자(CMSPs)에 대한 배경이 없는 탐지가 가능해질 수 있다.
• 느린 이온화 입자로부터 RICH 신호가 부재하는 것은 강력한 트리거 분류 기준이 될 수 있으나, 전용 시뮬레이션 필요성이 있다.
• SUEP 서명은 ECAL 및 HCAL의 클러스터 점유율 패턴을 통해 식별 가능할 수 있으나, 상세한 실현 가능성 연구가 필요하다.
• HLT1 수준에서 이벤트 이sov로피를 활용한 트랙 기반 트리거는 SUEP 유사 이벤트를 태그하는 데 도움이 되며, 저지연 시간 트리거 경로를 제공할 수 있다.
• 다수의 제안된 트리거는 사전 시뮬레이션 및 재구성 개발이 필요하므로, 런 3의 콘미션 단계는 실현 가능성 테스트에 매우 중요하다.
• 이 문서는 향후 현상학자와 실험자 간의 협업을 이끄는 기초적인 로드맵으로서의 기능을 한다.