[논문 리뷰] Understanding and improving the Effective Mass for LHC searches

María Eugenia Cabrera, J.A. Casas|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 멀티제트 + 미량 에너지 검색에서 효과적 질량($M_{\rm eff}$)과 초대칭(SUSY) 스케일 사이의 강력한 경험적 상관관계를 설명하며, 진정한 SUSY 질량($M_{\rm susy}$)과 더 직접적으로 관련된 새로운 변수인 효과적 전단 에너지($\mathcal{E}_T^{\rm eff}$)를 제안한다. 이 변수는 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}|_{\rm max} \simeq M_{\rm susy}$를 만족하며, 제트 재구성에 영향을 받지 않아 초대칭 및 표준모형을 초월한 물리학 검색에서 질량 스케일 결정을 향상시킨다.

ABSTRACT

A handy and extensively used kinematic variable in LHC analyses, especially for golden SUSY signals of multijets plus missing energy, is the Effective Mass, M_eff = sum_j |p_T^j|+ |p_T^miss|. Empirically, the value of M_eff at which the histogram of events has a maximum is correlated with the SUSY spectrum, M_eff|_max ~ 80% M_susy, where M_susy is essentially the sum of the masses of the SUSY particles initially created. In this paper we explain the reason for such strong correlation, pointing out the cases where the correlation is not good. Besides, we propose a new variable, the Effective Transverse Energy, E_T^eff, which shows an even better and more direct correlation E_T^eff|_max ~ M_susy, and is independent of the procedure followed to identify the jets. E_T^eff and M_eff are complementary variables, rather than competitors; and plotting histograms in both can be useful to cross-check the results, allowing a better and more robust identification of M_susy. The extension of this procedure to other scenarios of new physics (not necessarily SUSY) is straightforward.

연구 동기 및 목표

• LHC 멀티제트 + 미량 에너지 사건에서 관측된 $M_{\rm eff}$와 $M_{\rm susy}$ 사이의 경험적 상관관계를 설명하기 위해.
• $M_{\rm eff}$의 한계, 특히 비-CMSSM 모델에서나 제트 재구성이 모호할 경우의 문제점을 규명하기 위해.
• $M_{\rm susy}$와 더 직접적이고 강건한 상관관계를 가지는 새로운 운동량 변수인 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$를 제안하기 위해.
• 이전 연구에서 경험적으로만 다뤄진 $M_{\rm eff}$-$M_{\rm susy}$ 상관관계의 이론적 기반을 제공하기 위해.
• $M_{\rm eff}$와 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$를 상호보완적인 도구로 조합하여 초대칭 및 새로운 물리학 검색에서 질량 스케일 결정을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 무거운 SUSY 입자가 더 가벼운 입자와 비가시 입자로 두 개체 붕괴하는 과정에서 운동량 보존과 등방성 방출을 분석함으로써 $M_{\rm eff}$-$M_{\rm susy}$ 상관관계의 이론적 기원을 유도한다.
• $\mathcal{E}_T^{\rm eff} = \sum_{j} |p_T^j| + \langle E_T^X \rangle$로 정의되며, $\langle E_T^X \rangle$는 정지 프레임에서 각도 평균을 통해 추정된 비가시 입자의 평균 전단 에너지이다.
• 극한 근사($\theta = \pi/2$)와 비가시 입자의 등방성 방출을 가정하여 대칭적인 두 입자 붕괴에서 $\langle E_T^X \rangle \simeq 2 p_T^X$를 유도한다.
• 중성미온 질량 $m_\chi$를 포함시켜 정밀도를 향상시켜, 저전단 운동량 영역에서 정확도를 개선한다: $\langle E_T^X \rangle \simeq \sqrt{4(p_T^X)^2 + 4m_\chi^2}$.
• 다양한 MSSM 모델, 특히 $M_{\rm eff}$가 실패하는 비-CMSSM 시나리오를 포함하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 개선된 상관관계를 검증한다.
• $M_{\rm eff}$와 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$를 동시에 사용하여 결과를 상호검증하고 질량 스케일 추출의 강건성을 향상시키는 전략을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMSSM 모델에서 $M_{\rm eff}|_{\rm max}$가 $M_{\rm susy}$와 매우 강하게 상관되는 이유는 무엇이며, 이는 경험적 관측임에도 불구하고 성립하는가?
• RQ2 $M_{\rm eff}$-$M_{\rm susy}$ 상관관계가 깨지는 시나리오는 무엇이며, 그 원인은 무엇인가?
• RQ3 제트 재구성 절차에 영향을 받지 않고 $M_{\rm susy}$와 더 직접적으로 상관되는 새로운 운동량 변수를 구성할 수 있는가?
• RQ4 비가시 입자의 질량($m_\chi$)을 에너지 추정에 포함시키면 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$의 정확도는 어떻게 향상되는가?
• RQ5 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$와 $M_{\rm eff}$를 함께 사용할 때, LHC 분석에서 $M_{\rm susy}$ 결정의 강건성은 어느 정도 향상되는가?

주요 결과

• $M_{\rm eff}$-$M_{\rm susy}$ 상관관계는 두 개체 붕괴에서 운동량 보존과 등방성 방출에 기인하며, 이는 CMSSM 모델에서의 경험적 성공을 설명한다.
• 비-CMSSM 모델에서는 상관관계가 깨지며, 특히 가장 가벼운 중성미온이 무거울 경우나 여러 개의 비가시 입자가 생성될 경우에 특히 그렇다.
• 제안된 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ 변수는 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}|_{\rm max} \simeq M_{\rm susy}$를 만족하여 $M_{\rm eff}$보다 훨씬 향상되고 직접적인 상관관계를 보인다.
• 중성미온 질량을 $\langle E_T^X \rangle \simeq \sqrt{4(p_T^X)^2 + 4m_\chi^2}$로 포함시킴으로써 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$의 정확도가 향상되며, 특히 저전단 운동량 영역에서 유의미하다.
• 새로운 변수 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$는 제트 재구성에 영향을 받지 않아 복잡한 최종 상태에서 $M_{\rm eff}$보다 더 강건하다.
• $M_{\rm eff}$와 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$를 병행 사용하면 상호검증이 가능하며, LHC 검색에서 $M_{\rm susy}$ 결정의 신뢰성을 크게 향상시킨다.