[논문 리뷰] Recovering Particle Masses from Missing Energy Signatures with Displaced Tracks

Michael Park, Yue Zhao|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 초대칭 유사 시나리오에서 장수 입자의 이격된 궤적을 활용하여, 모델에 종속되지 않는 방법으로 누락된 입자 질량을 복원한다. 이차 정점의 공간적 위치와 운동학적 제약 조건을 이용해, 제약 조건이 부족한 경우에도 소수의 사건만으로도 모든 알려지지 않은 질량을 복원할 수 있으며, 높은 정밀도로 초기 발견 수준의 분석이 가능하다.

ABSTRACT

If physics beyond the Standard Model contains metastable new particle states, its signatures may manifest themselves at the LHC through the presence of displaced vertices or displaced tracks. Such signatures are common in low-scale supersymmetry breaking scenarios as well as a host of other well-studied new physics models. Here we analyze the kinematics of dual cascade decays with missing energy resulting from a stable non-interacting new particle state at the bottom of the decay chain. We find that if the final step of the decay chain involves a metastable particle, the resulting presence of displaced tracks provides strong constraints with which to solve for the unknown kinematic quantities lost through missing energy. In addition we develop techniques with which to recover all kinematic unknowns, even in situations where the unknown quantities outnumber the constraints. These techniques can all be performed using a very small number of events and can thus be applied to very early discovery level searches at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 결합 에너지가 있는 물리학에서 최종 상태 입자가 결합 에너지로 인해 감지되지 않을 경우 입자 질량을 측정하는 방법을 개발하기 위해.
• 가장 가벼운 안정 입자(LSP)가 탐지되지 않는 캐스케이드 붕괴에서 운동학적 복원의 과제를 해결하기 위해.
• 장수 입자의 이격된 궤적을 활용하여 누락된 입자의 3차원 운동량을 제약하고 전체 운동학적 정보를 복원하기 위해.
• 매우 소수의 사건만으로도 질량 복원이 가능하게 하여, 초기 발견 단계의 LHC 탐색에 적합한 방법을 제공하기 위해.
• 초대칭을 넘어서 어떤 BSM 시나리오에도 적용 가능한 일반적이고 모델에 종속되지 않는 기법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이격된 궤적 정점의 공간적 위치를 사용하여 장수 입자(NLSP)의 3차원 운동량을 복원하고, 이를 통해 누락 에너지 운반체(LSP)의 운동량을 추론한다.
• 붕괴 정점의 위치에서 유도된 기하학적 제약 조건을 적용하여 LSP의 3차원 운동량을 NLSP의 방향 벡터 함수로 표현한다.
• 이격된 궤적을 따라 가능한 붕괴 지점을 탐색하기 위한 스캐닝 기법을 사용하며, 지수 붕괴 분포와 각도의 등방성에서 유도된 가중치 요소를 적용한다.
• 주어진 궤적에서 주 원점까지의 수직 거리에 대한 확률 밀도 함수를 도입하여, 붕괴 길이와 운동학 기하학을 고려한다.
• 알려진 4차원 운동량을 가진 몽테카를로 파arton 수준 데이터를 사용하여 관측 가능한 양(궤적 종점, 횡방향 결합 에너지)을 시뮬레이션하고, 원래 운동량에 접근할 수 없이도 질량을 복원한다.
• 가장 가까운 접근 거리($d_{\perp}$)의 분포에 대한 수치 적분을 유도하여, 소수의 이격된 궤적에서 특성 붕괴 길이 $l_0$를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최종 상태 입자가 안정되어 감지되지 않고, 횡방향 운동량이 결합된 경우, 오직 이격된 궤적 정보만으로도 입자 질량을 복원할 수 있는가?
• RQ2 이격된 궤적 기하학이 캐스케이드 붕괴에서 투명한 입자의 3차원 운동량을 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ3 제약 조건의 수가 알려지지 않은 수를 초과하는 경우에도 소수의 사건만으로 질량 복원이 가능할 수 있는가?
• RQ4 몇 개의 사건에서 이격된 궤적의 공간 분포를 통해 장수 입자의 붕괴 길이를 어느 정도 정확도로 추정할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 초대칭에 국한되지 않고, 메타안정 입자와 결합 에너지를 포함하는 어떤 BSM 모델에도 일반적으로 적용 가능한가?

주요 결과

• 이 방법은 소수의 사건만으로도 제약 조건이 부족한 상황에서도 모든 알려지지 않은 운동학적 양(입자 질량 포함)을 성공적으로 복원한다.
• 이격된 궤적의 공간 분포를 통해 소수의 사건에서도 장수 입자의 특성 붕괴 길이 $l_0$를 견고하게 추정할 수 있다.
• 주 원점에서 이격된 궤적까지의 수직 거리 $d_{\perp}$에 대한 확률 밀도 함수는 해석적으로 유도되었으며, 이를 통해 수치적으로 $l_0$를 추출할 수 있다.
• 이격된 궤적을 따라 스캔하는 데 사용되는 가중치 요소는 지수 붕괴와 각도 분포를 모두 고려하여 정확한 통계적 가중치를 보장한다.
• 주 원점, 궤적 종점, 관측 가능한 입자의 4차원 운동량, 횡방향 결합 에너지와 같은 관측 가능한 양들만으로도 질량 복원이 가능하다.
• 이 기법은 모델에 종속되지 않으며, 초대칭을 넘어서 이격 정점과 결합 에너지를 포함하는 어떤 BSM 시나리오에도 적용 가능하다.