[논문 리뷰] Searches for long-lived and highly-ionizing particles at the CMS and ATLAS experiments

Teresa Lenz|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CMS 및 ATLAS 실험에서 에너지 손실 단위 길이당($dE/dx$)를 핵심 분류 기준으로 사용하여 장수명 및 고이온화 입자를 탐색한다. 다중 전하 또는 자석 단극자 유사 입자의 높은 $dE/dx$ 값을 활용하여, 이 연구들은 이론 모델의 단면적 상한선을 설정하고 특정 질량까지 배제한다. 이는 이중 전하 입자까지 650 GeV, $g_D = 1.0$인 자석 단극자까지 1340 GeV까지 포함된다.

ABSTRACT

Long-lived particles are contained in a variety of beyond Standard Model theories, including supersymmetric models, universal extra dimensions, or technicolor theories. If the lifetime of such a particle is long enough, the particle can enter - or even pass through - the detector before it decays. Therefore, searches for long-lived particles require a very different search strategy compared to conventional searches for particles beyond the Standard Model. If the new particle is not only weakly interacting, the particle can be reconstructed itself and not only via its decay products. A very specific characteristic of such new heavy charged particles is their large ionization losses when traveling through the detector. This article summarizes searches for long-lived particles at the CMS and ATLAS experiments that exploit the potentially high ionization losses per path length (dE/dx) of the new particle. The presented searches are performed on 8 and/or 13 TeV data. Additionally, an overview of the methodology of dE/dx measurements at the CMS and ATLAS experiments is given.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 장수명 입자 중 큰 전하 또는 낮은 속도로 인해 높은 이온화 손실을 보이는 입자를 탐색하기 위해.
• CMS 및 ATLAS 트래킹 시스템에서 $dE/dx$ 측정 기법을 개발하고 적용하여 고이온화 입자를 식별하기 위해.
• 다중 전하 입자 및 자석 단극자와 같은 장수명 입자에 대해 모델 의존적 및 모델 독립적 단면적 상한선을 설정하기 위해.
• 저기대 신호 영역에서 $dE/dx$ 및 클러스터 에너지 분산을 활용하여 데이터 기반 방법으로 배경 추정을 향상시키기 위해.
• 기존의 탐색 방식으로 접근하기 어려운 새로운 물리 현상, 특히 억제된 결합 상수 또는 보존 양자수를 가진 경우에 대해 감도를 확장하기 위해.

제안 방법

• CMS에서 실리콘 트래커 측정치로부터 가장 가능성이 높은 $dE/dx$를 계산하기 위해 조화-2 추정기 $I_h = \left( \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} (\Delta E_i / \Delta x_i)^{-2} \right)^{-1/2}$ 를 사용하였다.
• 표준모형 배경를 억제하기 위해, $dE/dx$ 측정치가 최소 이온화 입자(MIPs)와 호환되는지 평가하기 위해 비대칭 스미르노프-크라머-폰 마이어스 기준을 적용하였다.
• ATLAS에서는 전이 방사선 트래커(TRT)에서의 고임계수 $dE/dx$인 $f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$와 고임계수 히트 수 $N^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$를 사용하여 고이온화 궤적을 식별하였다.
• 신호와 배경 사건 간의 분류 성능을 향상시키기 위해, 전자기 칼로리메터에서의 에너지 분산 $w$와 $dE/dx$를 조합하였다.
• 신호 영역에서 배경 수확량을 데이터 기반 추정으로 예측하기 위해, 정의된 $w$ 및 $f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$ 범위를 갖는 제어 영역을 활용하였다.
• 결과를 해석하고 다양한 입자 유형과 전하에 대해 단면적 상한선을 설정하기 위해, 수정된 전자기 결합을 가진 Drell-Yan 생성 모델을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 전하를 지닌 장수명 고이온화 입자는 CMS 및 ATLAS 트래킹 시스템에서 증가된 $dE/dx$를 통해 탐지될 수 있는가?
• RQ2 $dE/dx$ 측정치는 표준모형 입자와 고이온화 손실을 보이는 가상의 장수명 뒤의 물리 입자 간에 얼마나 효과적으로 분류할 수 있는가?
• RQ3 8 TeV 및 13 TeV에서 $dE/dx$ 기반 탐색에서 이중 전하 입자 및 자석 단극자에 대한 감도 상한선은 무엇인가?
• RQ4 ATLAS에서 $w$ 및 $f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$를 사용한 데이터 기반 제어 영역은 저배경, 고서식 영역에서 배경 추정을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 $dE/dx$ 기반 탐색은 CERN의 LHC에서 기존의 뒤의 물리 탐색 방식과 얼마나 보완되는가?

주요 결과

• CMS에서 장수명 전하 입자를 위한 탐색에서 이중 전하 입자는 질량 650 GeV까지 배제되었다.
• ATLAS에서 $g_D = 1.0$인 자석 단극자를 위한 탐색에서 8 TeV 데이터 기반으로 스핀-1/2 입자에 대해 질량 1340 GeV까지 배제되었다.
• 모델 독립적 피드유얼 단면적 상한선 0.5 fb는 선택 효율이 거의 일정한 영역에서 유효하다.
• $dE/dx$ 기반 탐색 전략은 $z=2$ 선택 영역에서 $0.013 \pm 0.002$개, $z \geq 3$ 선택 영역에서 $0.026 \pm 0.003$개의 배경 수확량을 성공적으로 예측하였으며, 관측된 사건 수는 0개였다.
• CMS에서의 조화-2 추정기와 최대우도 기준기는 랑도 분포 에너지 분포의 꼬리 편향을 억제하는 강력하고 校정된 $dE/dx$ 측정치를 제공한다.
• ATLAS에서 $w$와 $f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$의 조합은 특히 저운동 영역에서 고이온화 신호와 표준모형 배경 간의 효과적인 분류를 가능하게 하였다.