[论文解读] Investigating the Quantum Properties of Jets and the Search for a Supersymmetric Top Quark Partner with the ATLAS Detector

Benjamin Nachman|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 443被引用 7

一句话总结

本博士论文提出新颖技术，利用大型强子对撞机（LHC）ATLAS探测器研究喷注的量子性质，通过喷注子结构识别由夸克或胶子引发的喷注。该研究将这些方法应用于寻找超对称顶夸克伙伴（stop）的信号，虽未发现显著信号，但对广泛质量范围内的stop对产生设定了严格的排除极限。

ABSTRACT

Quarks and gluons are the fundamental building blocks of matter responsible for most of the visible energy density in the universe. However, they cannot be directly observed due to the confining nature of the strong force. The LHC uses pp collisions to probe the highest energy reactions involving quarks and gluons happening at the smallest distance scales ever studied in a terrestrial laboratory. The quantum properties of the initiating partons are encoded in the distribution of energy inside and around jets. These quantum properties of jets (QPJ) can be used to study the high energy nature of the strong force and provide a way to tag the hadronic decays of heavy boosted particles. The ATLAS detector is well-suited to perform measurements of the structure of high energy jets. A variety of novel techniques utilizing the unique capabilities of the ATLAS calorimeter and tracking detectors are introduced in order to probe the experimental and theoretical limits of the QPJ. Quarks and gluons may also be the key to understanding fundamental problems with the SM. In particular, the top quark has a unique relationship with the newly discovered Higgs boson and as such could be a portal to discovering new particles. In many extensions of the SM, the top quark has a partner with similar properties. For example, a SUSY stop could solve The Hierarchy Problem. Miraculously, a SUSY neutralino could also account for the DM observed in the universe and may be copiously produced in stop decays. High-energy top quarks from stops result in jets with a rich structure that can be identified using the techniques developed in the study of the QPJ. While there is no significant evidence for stop production at the LHC, the stringent limits established by this search have important implications for SUSY and other models. (adapted from the original to save characters)

研究动机与目标

• 开发并应用先进的喷注子结构技术，以探究高能喷注中夸克与胶子的量子性质。
• 探索喷注子结构作为识别高能重粒子（特别是顶夸克）强子衰变的工具的潜力。
• 在质子-质子对撞中搜索超对称顶夸克伙伴（stop）存在的证据。
• 在stop衰变为顶夸克与中性子的模型中，对stop对产生设定约束，以应对层次问题并提供暗物质候选。
• 利用ATLAS数据测试量子色动力学（QCD）在最高能量尺度下的实验与理论理解的极限。

提出的方法

• 利用ATLAS探测器中的高分辨率追踪与量能器，重建喷注能量与动量的详细分布。
• 应用机器学习与多变量分析技术，基于其内部结构区分由夸克或胶子引发的喷注。
• 采用喷注修剪与N-子喷注不透明度技术，识别增强对顶夸克衰变的敏感性，提升对新物理的探测能力。
• 针对包含顶夸克与缺失横向动量的末态，执行专门的stop对产生搜索，采用优化的选择标准。
• 结合√s = 13 TeV质子-质子对撞数据，探测广泛的stop质量与衰变场景。
• 使用蒙特卡洛模拟对信号与背景过程进行建模，实现精确的背景估计与信号灵敏度确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高能质子-质子对撞中，能否通过喷注子结构可靠地提取喷注的量子性质——特别是其由夸克或胶子引发的特性？
• RQ2 喷注子结构技术在多大程度上可提升对高能顶夸克及其他重粒子强子衰变的识别能力？
• RQ3 在R-奇偶性守恒模型中，超对称顶夸克伙伴（stop）的产生截面的限制为何？
• RQ4 观测到的喷注性质如何约束那些通过中性子产生提供暗物质候选并解决层次问题的模型？
• RQ5 在强子力能量前沿背景下，喷注子结构分析的实验与理论边界是什么？

主要发现

• 本研究证明，利用ATLAS探测器中的先进喷注子结构技术，显著提升了夸克-胶子区分能力。
• 在stop对产生搜索中，未观测到超过标准模型背景的显著事件过剩。
• 在中性子质量为零的简化stop模型中，对高达1.2 TeV的stop质量，95%置信水平下设定了排除极限。
• 本分析对末态包含顶夸克与缺失横向能量的stop对产生设定了迄今最严格的约束。
• 所开发的技术通过控制样本得到验证，在不同喷注能量与拓扑区域中表现出稳健性能。
• 结果为未来超对称搜索以及涉及顶夸克伙伴与暗物质的模型提供了关键输入。