[論文レビュー] Prospects of New Physics searches using High Lumi - LHC

A. Çakır|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、14 TeVの中心系エネルギーでプロトン-プロトン衝突をシミュレートし、統合 luminosity まで3000/fbの範囲で、アップグレードされたCMSおよびATLAS検出器を用いて、ハイ・リューミノシティLHC（HL-LHC）における新しい物理の発見可能性を評価している。増加したluminosityが、スピン統一理論、異常な共鳴状態、および長寿命粒子への感度を顕著に向上させることを示しており、現在の限界よりも1桁低い断面積での新しい物理モデルの発見可能性を実現する。

ABSTRACT

After the observation of a Higgs boson near 125 GeV, the high energy physics community is investigating possible next steps for entering into a new era in particle physics. It is planned that the Large Hadron Collider will deliver an integrated luminosity of up to 3000/fb for the CMS and ATLAS experiments, requiring several upgrades for all detectors. The reach of various representative searches for supersymmetry and exotica physics with the upgraded detectors are discussed in this context, where a very high instantaneous luminosity will lead to a large number of pileup events in each bunch crossing. This note presents example benchmark studies for new physics prospects with the upgraded ATLAS and CMS detectors at a centre-of-mass energy of 14 TeV. Results are shown for an integrated luminosity of 300/fb and 3000/fb.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理の感度を、特にスピン統一理論および異常粒子モデルにおいて評価すること。
• 最大3000/fbの増加したluminosityおよび最大140個のバッチクロスインタラクションを伴う高積み重ね（pile-up）が、BSM物理の発見可能性に与える影響を評価すること。
• 検出器のアップグレードおよび積み重ね効果が、BSM探索における重要な観測量（HTおよびMET）に与える影響を調査すること。
• 長寿命粒子や高質量共鳴状態を含む特定のBSMモデルにおける、排除限界および発見限界の向上を予測すること。
• 高速シミュレーションおよびパラメトリック検出器モデルを用いた、将来のHL-LHC解析のベンチマークスタディを提供すること。

提案手法

• CMSおよびATLASのパラメトリック高速検出器シミュレーションを用いて、√s = 14 TeVでのプロトン-プロトン衝突をシミュレートする。
• R-パリティ保存型SUSY、ベクトルボソン散乱、および異常共鳴状態を含む、さまざまなBSMモデルに対する感度スタディを実施する。
• 95%信頼水準および5σの有意水準での排除限界および発見限界を予測するために、信号およびバックグラウンドテンプレートの尤度フィットを実施する。
• 最大140個のバッチクロスインタラクションを伴う高積み重ね条件下でのHTおよびMET再構築の劣化をモデル化することで、積み重ね効果を検討する。
• 14 TeVでの運動学的およびトリガー効率の変化を補正しながら、統合luminosityに比例して8 TeVの結果を線形にスケーリングすることで、信号収量を予測する。
• 検出器アップグレード後のトラッカー読み出しおよびトリガー窓の変化を考慮し、到着時間およびdE/dxのシグネチャを用いて長寿命粒子探索を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3000/fbの統合luminosityを伴うHL-LHCにおいて、グルーギノおよびスクォークのペア生成の発見可能性はどの程度に拡大されるか？
• RQ2 最大140個のバッチクロスインタラクションを伴う高瞬間luminosity下で、HTおよびMETといったBSM探索における主要な観測量の再構築がどの程度劣化するか？
• RQ3 二レプトンおよびレプトン+ジェット最終状態において、カルラ・キーン・グルーオンおよび高質量Z′ボソンといった異常共鳴状態の感度はどの程度か？
• RQ4 LS3期の検出器アップグレードが、特にdE/dxおよび到着時間測定において、長寿命荷電粒子探索にどのように影響するか？
• RQ5 現在のLHC結果と比較して、HL-LHCが長寿命粒子の排除限界をどの程度改善できるか？

主な発見

• 3000/fbの統合luminosityを伴うHL-LHCは、簡略化モデルにおいてグルーギノおよびスクォークペア生成の発見可能性を2.5 TeVを超える質量領域まで拡大すると予測されている。
• ベクトル型クォークおよび高質量共鳴状態に対しては、95%信頼水準で、二レプトンチャンネルではZ′ボソンの質量まで5.5 TeV、レプトン+ジェットチャンネルでは5.0 TeVまで感度が達成される。
• t̄t最終状態を用いたカルラ・キーン・グルーオンの探索感度は顕著に向上し、5σの有意水準で最大4.5 TeVのgKK質量まで発見可能性が達成される。
• 長寿命グルーギノおよびトップスクォークの探索では、到着時間およびdE/dxの両方のシグネチャが測定可能な場合、ペア生成断面積の現在の限界よりも1桁低い排除限界が達成される。
• CMSトラッカーのアップグレード後、dE/dx測定が不可能になった場合でも、到着時間シグネチャのみを用いることで長寿命粒子探索の感度が維持され、より低い断面積領域まで到達可能となる。
• 高質量安定荷電粒子およびスタウペア生成といった異常モデルの感度は、luminosityの増加に伴い顕著に向上し、有利な状況では0.1 pb未満の断面積の信号の発見が可能となる。