[论文解读] R-Hadron and long lived particle searches at the LHC

S. Bressler|ArXiv.org|Oct 10, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出在大型强子对撞机（LHC）上使用ATLAS和CMS探测器对长寿命带电粒子（包括R-夸克和selectron）进行模型无关的搜索策略。研究引入基于飞行时间（TOF）和dE/dx的重建方法，以测量粒子速度（β），其中ATLAS采用MDT漂移时间修正，CMS采用跟踪器dE/dx，实现了有效的β分辨率和质量重建，从而可将信号与高pT μ子本底区分开。

ABSTRACT

If long lived charged particles exist, and produced at the LHC, they may travel with velocity significantly slower than the speed of light. This unique signature was not considered during the design of the LHC experiments, ATLAS and CMS. As a result, hardware and trigger capabilities need to be evaluated. Model independent approaches for finding long lived particles with the LHC experiments are introduced. They are tested using two bench marks, one in GMSB and one in Split SUSY. The focus is on hardware and trigger issues, as well as reconstruction methods developed by ATLAS and CMS. Both experiments suggest time of flight (TOF) based methods. However, the implementation is different. In ATLAS a first beta estimation is done already at the trigger level. CMS also uses dE/dx to estimate beta.

研究动机与目标

• 为解决LHC实验中针对长寿命带电粒子缺乏触发与重建基础设施的问题，这些实验原本假设粒子以接近光速运动。
• 开发针对长寿命粒子的模型无关搜索策略，重点研究GMSB和Split SUSY场景中的R-夸克和selectron。
• 通过修改数据读出方式以包含多个Train-Track ID（BCID），提升低β粒子的触发效率，减少因错误BCID分配导致的事件丢失。
• 在ATLAS中利用飞行时间（TOF）技术，在CMS中利用单位能量损失（dE/dx）技术，实现精确的β和质量重建。
• 证明即使在低β值下，结合β和质量切片也能将信号事件与高pT μ子本底有效分离。

提出的方法

• ATLAS利用监测漂移管（MDTs）重建漂移时间；对于慢速粒子，由于粒子到达延迟，测得的漂移时间超过真实时间，从而引入时间偏移Δt。
• 一种β重建算法对可能的Δt值进行迭代，调整MDT数字时间，并通过最小化χ²拟合段落，从而估计粒子速度β。
• ATLAS的第二种算法使用大量R-夸克样本，按动量分箱，通过最小化χ²拟合β(p)，然后通过m = p / (γ(p)β(p))计算质量。
• CMS利用硅跟踪器的dE/dx测量值，通过将观测到的能量沉积拟合至Bethe-Block公式，结合标准模型粒子进行标定，从而推断β。
• 两个实验均施加pT > 40 GeV、m > 40 GeV和β < 0.97的切片，以抑制μ子本底，同时保留信号事件。
• ATLAS中使用BCID（Train-Track ID）将不同探测器层的信号关联起来，这对低β粒子尤为重要，因为它们到达时间较晚，易发生错误分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原本未为长寿命带电粒子设计的LHC实验中，能否高效触发和重建β < 1的长寿命带电粒子？
• RQ2 在ATLAS中，如何利用MDT室的飞行时间（TOF）测量实现对慢速粒子β的重建？
• RQ3 CMS跟踪器中基于dE/dx的β重建方法在低β粒子中的性能如何？
• RQ4 β和质量测量在多大程度上可将长寿命粒子信号与高pT μ子本底有效分离？
• RQ5 错误的BCID分配在多大程度上影响慢速粒子的探测效率，以及如何缓解该问题？

主要发现

• 对于β = 0.6、0.7、0.8、0.9，重建的β平均值分别为0.573、0.688、0.796和0.899，表明尽管存在本底，仍具备可测量的分辨率。
• 在施加pT > 40 GeV、m > 40 GeV和β < 0.97的切片后，ATLAS中GMSB5信号在质量重建中与高pT μ子本底实现良好分离。
• ATLAS的β重建算法实现了足够高的质量分辨率，可有效区分信号与本底，如图5所示。
• ATLAS的第二种算法生成了质量随动量变化的重建结果（图6），验证了该方法在不同动量区间的适用性。
• CMS的dE/dx方法在β ≈ 0.6–0.9的粒子中实现了约0.03–0.05的β分辨率，如图7所示。
• 由于BCID误分配，触发效率在β = 0.7时降至80%以下，在β = 0.6时降至20%以下，因此需扩展读出以包含多个BC，以缓解该问题。