[論文レビュー] Review of opportunities for new long-lived particle triggers in Run 3 of the Large Hadron Collider

J. Alimena, J. B. Beacham+76 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）Run 3における長寿命粒子（LLP）の検出のための新しいトリガー戦略をレビューし、ATLAS、CMS、LHCbに特化した新しい手法を提案している。その根拠は、遅延崩壊、イオン化軌跡、ソフトでクラスタ化しないエネルギー分布といった検出器固有のシグネチャーに基づく。Run 3のコンmissioning段階において、LLP探索の範囲を現在のカバー範囲を超えて拡大するため、専用のシミュレーションとトリガー開発の必要性を強調している。

ABSTRACT

Long-lived particles (LLPs) are highly motivated signals of physics Beyond the Standard Model (BSM) with great discovery potential and unique experimental challenges. The LLP search programme made great advances during Run 2 of the Large Hadron Collider (LHC), but many important regions of signal space remain unexplored. Dedicated triggers are crucial to improve the potential of LLP searches, and their development and expansion is necessary for the full exploitation of the new data. The public discussion of triggers has therefore been a relevant theme in the recent LLP literature, in the meetings of the LLP@LHC Community workshop and in the respective experiments. This paper documents the ideas collected during talks and discussions at these Workshops, benefiting as well from the ideas under development by the trigger community within the experimental collaborations. We summarise the theoretical motivations of various LLP scenarios leading to highly elusive signals, reviewing concrete ideas for triggers that could greatly extend the reach of the LHC experiments. We thus expect this document to encourage further thinking for both the phenomenological and experimental communities, as a stepping stone to further develop the LLP@LHC physics programme.

研究の動機と目的

• LHC Run 3における長寿命粒子（LLP）のための新しいトリガー概念を特定および体系化すること。
• 特に高 displaced または弱く相互作用する信号に対して、現在のLLP探索カバー範囲のギャップを埋めること。
• Run 3のコンmissioning段階中に、専用のトリガーおよびシミュレーションツールの開発を支援すること。
• LLP物理学プログラムを拡大するために、素描理論家と実験家との間の協力を促進すること。
• LHCbにおけるRICH応答、軌跡の等方性、ソフトエネルギーパターンに基づく、新しいトリガーの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 長寿命粒子の理論的動機づけをレビューし、長寿命の崩壊長や特異な結合を有するモデルを含む。
• 検出器固有のシグネチャー、例えば遅いイオン化粒子からのRICH信号の欠如や、ソフトでクラスタ化しないエネルギー分布（SUEPs）を分析する。
• ECALおよびHCALにおけるイベントの等方性やクラスタ占有率といった、トラックベースの変数に基づくトリガーを提案する。
• LHCbのRICHサブ検出器が、電荷を帯びた大質量安定粒子（CMSPs）の識別にどのように寄与できるかを評価する。
• 本格的なデータ取得の前段階として、新しいトリガーアルゴリズムのための専用のシミュレーションおよび再構築研究を推奨する。
• LLP@LHCワークショップや共同議論からの知見を活用し、実現可能なトリガー経路を同定する。

Figure 1: Track types reconstructed at the LHCb experiment by the tracking system Collaboration:1647400 .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC Run 3におけるLLP探索の範囲を、現在のカバー範囲を超えて拡大するための新しいトリガー戦略は何か？
• RQ2 LHCbのアップグレード済みRICHシステムは、遅いイオン化粒子（例：CMSPs）を検出するための新しいトリガーをどのように可能にするか？
• RQ3 ソフトでクラスタ化しないエネルギー分布（SUEPs）は、ECALおよびHCALにおけるクラスタ占有率を用いて効果的に識別・トリガーできるか？
• RQ4 イベントの等方性といったトラックベースの変数は、トリガー段階でSUEPに類似したイベントを特定するのにどのような役割を果たすか？
• RQ5 新しいLLPトリガーを実現するためには、どのようなシミュレーションおよび再構築の開発が必要か？

主な発見

• LHCbの予定されるRICHアップグレードにより、チェレンコフ光子の欠如という、非常に高い識別能を持つシグネチャーを用いて、CMSPsのゼロバックグラウンド探索が可能になる。
• 遅いイオン化粒子からのRICH信号の欠如は、強力なトリガー識別子となり得るが、専用のシミュレーションが必要である。
• SUEPシグネチャーは、ECALおよびHCALにおけるクラスタ占有率のパターンとして識別可能である可能性があるが、詳細な実現可能性調査を要する。
• HLT1段階でのイベント等方性を用いたトラックベースのトリガーは、SUEPに類似したイベントをタグ付けするのに役立ち、低遅延のトリガー経路を提供する。
• 多くの提案されたトリガーは、事前のシミュレーションおよび再構築の開発を要するため、Run 3のコンmissioning段階は実現可能性のテストにとって極めて重要である。
• 本ドキュメントは、将来のトリガー開発および素描理論と実験のコミュニティ間の協力の基盤となるロードマップを提供する。