[論文レビュー] Boosted Tops from Gluino Decays

J. Berger, Maxim Perelstein+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、第3世代の超クォークが軽量である自然な超対称性モデルにおいて、オンシェルストップを介した崩壊を示すグルーギノの探索感度を向上させるために、高度なジェット構造解析技術を用いて特定されたトップタグ付きジェットを用いる手法を提案する。この手法により、14 TeVのLHCで10 fb⁻¹の統合したルミノリティを持つ条件下で、グルーギノ質量が1.3–1.4 TeVまで到達可能な発見感度が得られ、特に高質量領域において従来のMETベースの探索手法に比べ顕著な改善が達成される。

ABSTRACT

Naturalness considerations, together with the non-observation of superpartners of the Standard Model particles at the Large Hadron Collider (LHC) so far, favor supersymmetric (SUSY) models in which third generation squarks are significantly lighter than those of the first two generations. In such models, gluino pair-production is typically the dominant SUSY production process at the LHC, and it often leads to final states with multiple top quarks. Some of these top quarks may be relativistic in the lab frame, in which case their hadronic decays may produce "top jets". We propose that the recently developed techniques for tagging top jets can be used to boost sensitivity of the LHC searches for this scenario. For example, within the simplified model used for this study, we estimate that a search with 2 top-tagged jets can probe gluino masses of up to about 1 TeV at the 7 TeV LHC with 30 inverse fb integrated luminosity.

研究の動機と目的

• 第3世代の超クォークが第1・第2世代の超クォークよりも軽量である自然な超対称性モデルにおけるグルーギノ探索の感度を向上させること。
• 従来のMETベースの探索手法が、大規模な標準模型背景の尾部により効果を失う高質量グルーギノ状況において、信号対背景比が低下する課題に対処すること。
• 余剰次元や重い励起状態の探査に開発されたトップタギング技術が、グルーギノの連鎖崩壊におけるブースト状態のトップクォークを同定する新しい手法としての有効性を検証すること。
• METベースの探索手法が背景系の系統誤差によって制限を受ける状況において、トップタグ付きジェットが重いグルーギノを検出する補完的で強力なシグネチャとして機能できることを示すこと。

提案手法

• 研究は、グルーギノ、ストップ、中性ノLSPのみを含む簡略化モデルを採用し、グルーギノがオンシェルストップを介して4つのトップクォークを生成する崩壊を仮定する。
• ブースト状態のトップクォークから生じるハドロン的ジェットを特定するためにトップタギングアルゴリズムを適用し、エネルギーおよび構造的特徴を用いてトップジェットと軽クォークジェットを区別する。
• 信号イベントは、すべてのトップクォークが実験フレームで相対論的であると仮定し、単一のジェットに統合された崩壊生成物を生じる。
• ベンチマーク点 (m(ġ), m(t̃)) = (1000, 500) GeV を用いてカットを最適化し、トップタグ付きジェットの多重度および非対称運動量（MET ≥ 175 GeV）の要件を含む。
• 背景はQCDマルチジェット過程およびトップ対生成のような標準模型過程を用いてモデル化し、誤タグ確率を適用して不可避な背景を推定する。
• 統計的有意度は信号対背景（S/B）比および予想される有意度（例：14 TeVで10 fb⁻¹のデータ量では6.5σ）を用いて評価し、パrameter空間全体にわたり発見感度をマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第3世代の超クォークが軽量である自然な超対称性モデルにおいて、トップタギング技術がグルーギノ探索の感度を向上させ得るか？
• RQ2 強いMETシグネチャが存在しない状況で、トップタグ付きジェットを用いて探査可能なグルーギノ質量の上限は何か？
• RQ3 信号対背景比および統計的有意度の観点から、トップタグ付きジェットの導入は従来のMETベースの探索手法と比べてどのように優れているか？
• RQ4 トップタグ付きジェット探索の感度を制限する主な不可避および低減可能な背景は何か？それらはどのように推定または抑制できるか？

主な発見

• 3つのローティスなトップタグとMET ≥ 175 GeVを要件とする探索では、14 TeVで10 fb⁻¹の統合ルミノリティを持つ条件下で、ベンチマーク点 (m(ġ), m(t̃)) = (1000, 500) GeV に対して6.5σの統計的有意度を達成する。
• ストップが300–700 GeVの範囲にあれば、トップタグ付きジェットを用いた手法によりグルーギノ質量1.3–1.4 TeVまでの発見感度が可能であり、発見領域全体でS/B > 10を維持する。
• 14 TeVで10 fb⁻¹のデータ量に対して、カット後の信号率は8.5イベントと推定され、高質量領域でも高い感度が示される。
• QCDマルチジェット背景を抑制するためにMETカットが不可欠であることが判明。METカットがないとS/B比は約0.1に低下し、感度は実現不可能になる。
• METカットがなくても、最も感度の高い探索は3つのローティスなトップタグを要件とするものだが、支配的なQCD背景のため、有意度は約4.5σにとどまる。
• 結果から、特にMETベースの探索が背景外挿法の制限を受ける状況において、トップタギング技術が高質量グルーギノ探索の感度を顕著に向上させ得ることが示唆される。