[論文レビュー] Long-lived particle reconstruction downstream of the LHCb magnet

LHCb Collaboration, A. S. W. Abdelmotteleb+1144 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 73被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、LHCb検出器の4 T mの電磁石よりも下流にある領域からのトラッキング情報のみを用いて、長寿命粒子（LLP）を再構築する可能性を示している。Tトラック（電磁石の下流にあるトラッキング装置でのみ検出された荷電粒子）のための特別な再構築アルゴリズムを開発することで、7.6 m下流までのLLP崩壊における高分解能の運動量および頂点再構築が可能となり、磁気的および電気的モノーポールモーメント測定およびエキゾチックなLLP探索のための検出器の到達範囲が顕著に拡張された。

ABSTRACT

Charged-particle trajectories are usually reconstructed with the LHCb detector using combined information from the tracking devices placed upstream and downstream of the 4\,T\,m dipole magnet. Trajectories reconstructed using only information from the tracker downstream of the dipole magnet, which are referred to as T tracks, have not been used for physics analysis to date. The challenges of the reconstruction of long-lived particles using T tracks for use in physics analyses are discussed and solutions are proposed. The feasibility and the tracking performance are studied using samples of long-lived $\varLambda$ and $K_S^0$ hadrons decaying between 6.0 and 7.6 metres downstream of the proton-proton collision point, thereby traversing most of the magnetic field region and providing maximal sensitivity to magnetic and electric dipole moments. The reconstruction can be expanded upstream to about 2.5 meters for use in direct searches of exotic long-lived particles. The data used in this analysis have been recorded between 2015 and 2018 and correspond to an integrated luminosity of 6\,fb$^{-1}$. The results obtained demonstrate the possibility to further extend the decay volume and the physics reach of the LHCb experiment.

研究の動機と目的

• 磁気電磁石領域（6.0–7.6 m下流）で崩壊する長寿命粒子（LLP）の物理学的解析を可能とすること。
• 電磁石の下流でのトラッキング情報（Tトラック）のみを用いる場合の低運動量分解能および複雑な軌道再構築の課題を克服すること。
• 現在の30 cmの制限を超えて、相互作用点から7.6 mまで下流に及ぶ崩壊体積をLLP探索に拡張すること。
• 標準模型のLLP（例：Λバリオン）の磁気的および電気的モノーポールモーメントを精密に測定すること。
• 寿命が30 nsまでのダークフォトン、axion-like粒子、および重い中性レプトンなどのエキゾチックなLLPの直接探索の基盤を築くこと。

提案手法

• 電磁石から7.5–10 m下流に位置する3つの下流トラッキングステーション（T1–T3）およびインナートラッキング/アウタートラッキング（IT/OT）からの情報のみを用いて、Tトラック再構築のための専用アルゴリズムを開発した。
• Λ0_b →J/ψΛおよびB0 →J/ψK0_S崩壊の崩壊チェーンフィッティング手順において、幾何的および運動的制約を適用し、運動量および頂点分解能を向上させた。
• 不変質量および角度分解能を介した誤差伝搬に基づく運動量分解能モデルを用い、相対的運動量不確実性σp/pを定量化するための主要な式（13）–（17）を適用した。
• 2015–2018年の実データ（6 fb⁻¹）とシミュレーションデータを用いて分解能性能をキャリブレーションし、運動量、ξ、η1、η2に依存するf(p, ξ, η1, η2)要因を導入した。
• 背景抑制と信号純度の向上のため、J/ψΛおよびJ/ψK0_S系の不変質量フィッティングを実施した。
• 寿命が長いエキゾチックなLLP探索を向上させるために、上流トラッキング（最大2.5 m）を再構築に統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場領域（6.0–7.6 m下流）で崩壊する長寿命粒子（LLP）は、下流Tトラックのみを用いて十分な運動量および頂点分解能で再構築可能か？
• RQ2 LHCb検出器内におけるΛ →pπ⁻およびK0_S →π⁺π⁻崩壊に起因するTトラックの相対的運動量分解能σp/pはどの程度達成可能か？
• RQ3 幾何的および運動的制約を組み込んだ崩壊チェーンフィッティングは、単独のTトラック再構築と比較して運動量分解能をどの程度向上させるか？
• RQ4 上流方向（約2.5 mまで）に再構築を拡張することで、寿命が長いエキゾチックなLLPの感度はどの程度向上するか？
• RQ5 この手法により、磁場内でのスピンの進動効果を介してΛバリオンの磁気的および電気的モノーポールモーメントの精密測定が可能になるか？

主な発見

• Λ →pπ⁻崩壊に起因するTトラックの相対的運動量分解能σp/pは、中央の運動量チャンクで約0.04であり、運動的変動に起因する広がりと非対称性を示す。
• K0_S →π⁺π⁻崩壊では、中央チャンクでσp/pが約0.02に達し、より安定した運動的性質に起因して分解能が優れている。
• Λ0_b →J/ψΛおよびB0 →J/ψK0_Sの崩壊チェーンフィッティングを適用した後、平均的なσp/pは約0.015–0.02に向上し、f(p, ξ, η1, η2) ≈1となることが示され、運動的依存性が低減された。
• 崩壊チェーンフィッティングによる強い制約のおかげで、運動量および準垂直線形度（pseudorapidity）に依存しない運動量分解能が得られた。
• 本手法により、LLP崩壊の再構築が7.6 m下流まで可能となり、従来の30 cmの制限を著しく超えるLHCbの到達範囲が拡張された。
• 本手法は上流方向に約2.5 mまで拡張可能であり、寿命が約30 nsまでのエキゾチックなLLP探索の新たな感度を開いた。