[논문 리뷰] SUSY Searches in All-Hadronic States with Large MET at the LHC

M. Tytgat|ArXiv.org|2007. 10. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 ATLAS 및 CMS 협력팀의 데이터를 사용하여, 대량의 미량 운동량(MET)을 가진 전부 하드론(final state)에서 초대칭(SUSY) 탐색에 대해 종합적인 연구를 제시한다. 다중제트 + 높은 MET의 포함적 서명이 초기 LHC 데이터에서 저질량 SUSY에 대해 강력한 발견 잠재력을 지닌다는 것을 보여주며, 두 실험 모두 데이터 기반 배경 추정 및 MET 청소 기술을 통해 표준모형 배경과 기기적 영향을 억제함으로써, mSUGRA 매개변수 공간에서 5σ의 발견 가능성을 유사하게 확보한다.

ABSTRACT

The CMS and ATLAS search strategy for SUSY in inclusive multijet plus high missing transverse energy final states is reviewed. This canonical SUSY signature may be a viable discovery channel for low mass SUSY in the early phase of the LHC. Methods for Standard Model background estimates, MET studies and filters for instrumental background are presented.

연구 동기 및 목표

• 초기 LHC에서 초대칭(SUSY)을 위한 포함적 다중제트 + 고도의 미량 운동량(MET) final state의 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 특히 QCD 다중제트 및 톰 쿼크 쌍 생성과 같은 표준모형 배경 기여를 데이터 기반 추정 및 MET 청소를 통해 감소시키기 위해.
• 이벤트 수준 변수인 $F_{em}$ 및 $F_{ch}$를 사용하여 빔 홀로, 우주선, 검출기 노이즈와 같은 기기적 영향으로 인한 가짜 MET를 줄이고 MET 해상도를 향상시키기 위해.
• 전부 하드론 final state에서 QCD 및 레프톤 배경을 억제하면서 SUSY 신호 수용률을 극대화하는 강력한 이벤트 선택 기준을 개발하기 위해.
• 1 fb⁻¹의 통합 루미너스티를 기반으로 ATLAS 및 CMS가 mSUGRA 매개변수 공간에 대해 보이는 민감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 배경을 직접 데이터에서 추정하는 데이터 기반 방법을 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션 의존도를 줄이고 체계적 불확실성을 감소시킨다.
• 제트의 전자기 분율($F_{em}$) 및 충전 분율($F_{ch}$)을 기반으로 한 MET 청소 절차를 적용하여 빔 홀로, 우주선, 전자기 노이즈 배경을 억제한다.
• 이벤트 선택 절차: ATLAS에서는 $N_{jet} \geq 4$, $P_T^{j1} > 100$ GeV, $P_T^{j4} > 50$ GeV, $E_T^{miss} > 100$ GeV, 렙톤 없음, 및 횡방향 구형도 $S_T > 0.2$; CMS에서는 $N_{jet} \geq 3$, $E_T^{j1} > 180$ GeV, $E_T^{j2} > 110$ GeV, $E_T^{j3} > 30$ GeV, $E_T^{miss} > 200$ GeV, 및 $H_T > 500$ GeV를 사용한다.
• CMS에서 간접 렙톤 비활성화: 주로 제트의 $f_{em} < 0.9$ 및 비등방성 주요 트랙을 요구하여 $W$, $Z$, 및 $t\bar{t}$-유사 이벤트를 추출하되, 명시적 렙톤 식별을 하지 않는다.
• 재구성된 톰 질량 분포에서 사이드밴드 제거를 통한 $t\bar{t}$ 배경 추정을 적용하여, 신호 및 사이드밴드 영역을 사용해 $E_T^{miss}$ 형태를 모델링하고 데이터에 정규화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 LHC에서 포함적 다중제트 + 고도의 MET final state는 저질량 초대칭의 탐색 가능 채널로 유의미한가?
• RQ2 전부 하드론 final state에서 QCD 다중제트 및 톰 쿼크 쌍 생성과 같은 주요 표준모형 배경을 데이터 기반 방법이 얼마나 효과적으로 추정할 수 있는가?
• RQ3 표준모형 배경 외의 기기적 배경, 예를 들어 빔 홀로 및 우주선을 억제하기 위해 $F_{em}$ 및 $F_{ch}$ 기반의 MET 청소 기술이 어느 정도 효과적인가?
• RQ4 1 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 ATLAS 및 CMS가 mSUGRA 매개변수 공간에서 전부 하드론 + 고도의 MET 채널을 통해 보이는 비교적 발견 가능 범위는 어떠한가?
• RQ5 b-태깅 없이도 $t\bar{t}$ 배경 추정이 전부 하드론 채널에서의 SUSY 탐색 민감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초기 LHC 데이터에서 포함적 전부 하드론 + 고도의 MET 채널은 저질량 SUSY에 대해 강력한 발견 잠재력을 보이며, 두 실험 모두 저질량 SUSY 기준점에서 표준모형 배경을 초월하는 뚜렷한 이벤트 초과를 예측한다.
• CMS의 LM1 기준점($m(\tilde{g}) \approx 600$ GeV, $m(\tilde{q}) \approx 550$ GeV)에서 선택 후 $E_T^{miss}$ 분포는 추정된 배경을 초월하는 뚜렷한 신호 초과를 보이며, 1 fb⁻¹의 데이터로 확인된다.
• ATLAS는 0.5, 1.0, 1.5 TeV의 SUSY 질량에서 유사한 신호 초과를 관측하여, 전부 하드론 채널에서 강력한 감도를 보임을 시사한다.
• 1 fb⁻¹의 데이터로 mSUGRA $(m_0, m_{1/2})$ 평면에서 ATLAS 및 CMS의 $5\sigma$ 발견 가능 범위는 $\tan\beta = 10$, $A_0 = 0$, $\mu > 0$ 조건에서 전체 저질량 영역을 커버하며, 다른 SUSY 탐색 채널에 비해 뛰어난 감도를 보임을 입증한다.
• 재구성된 톰 질량 분포에서 사이드밴드 제거를 통한 $t\bar{t}$ 배경 추정 방법은 고도의 $E_T^{miss}$ 영역에서 $E_T^{miss}$ 형태를 성공적으로 모델링하며, $b$-태깅 없이도 정확한 배경 제거를 가능하게 한다.
• CMS LM1 기준점에서 $F_{em} > 0.1$ 및 $F_{ch} > 0.175$ 청소 기준은 대부분의 빔 홀로 및 우주선 배경을 제거하면서도 약 91%의 SUSY 신호를 유지한다.