[論文レビュー] Stealth Stops and Spin Correlation: A Snowmass White Paper

Zhenyu Han, Andrey Katz|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、最小の運動量欠損を伴ってトップクォークと軽量中性ノイドに崩壊する質量的にほぼ縮退したストップ（ステルスストップ）を、トップクォークのスピン相関を利用して検出する方法を調査している。これらのイベントは標準模型のt\bar{t}イベントと類似しており、運動量欠損が最小限である。包含的スピン相関解析は大きなPDF不確実性に苦しむが、系が小さい有効質量（$M_{\text{eff}}<400$ GeV）領域では、系の不確実性が低減され、信号と背景の分離が顕著に向上するため、この手法は強い可能性を示している。

ABSTRACT

Stops with the mass nearly degenerate with the top mass, decaying into tops and soft neutralinos, are usually dubbed "stealth stops". Their kinematics looks very similar to that of the standard tops events, which leads to events with little or no excess of missing transverse energy. This complicates the probing of this region of the stop parameter space by hadron colliders, rendering the application of standard searching techniques challenging. In this Snowmass white paper we reanalyze the spin correlation approach to the search of stealth stops, focusing on the feasibility of this search at the 14 TeV LHC. We find, while the statistical limitations significantly shrink compared to the low-luminosity 8 TeV run, the systematic PDF uncertainties pose the main obstacle. We show that the current understanding of PDFs probably does not allow us to talk about top and stop discrimination via spin correlation in the inclusive sample. On the other hand the systematic uncertainties significantly shrink if only events with low center of mass energy are considered, rendering the search in this region feasible.

研究の動機と目的

• 最小の運動量欠損を伴うほぼ質量的に縮退したストップ（ステルスストップ）を、トップクォーク崩壊生成物のスピン相関を用いて検出する課題に対処すること。
• 14 TeV LHCにおけるスピン相関を用いた、ステルスストップイベントと標準模型のt\bar{t}イベントを区別する可能性を評価すること。
• 包含的および低-$M_{\text{eff}}$イベントサンプルにおける部分素粒子分布関数（PDF）不確実性がスピン相関測定に与える影響を評価すること。
• スピン相関技術が系統的制限を克服し、$5\sigma$感度を達成できる運動量領域を同定すること。

提案手法

• 本研究では、特に双レプトン崩壊チャンネルにおける2つのチャージドレプトン間の方位角差 $\Delta\phi_{ll}$ の角度分布を用いたトップクォークスピン相関解析を採用している。
• イベントは有効質量（$M_{\text{eff}}$）が大きいと小さいとに分けられ、$M_{\text{eff}} = p_T(l_1) + p_T(l_2) + \sum p_T(j_i) + \not{E}_T$ で定義される。これにより、スピン相関が強く、PDF感度が低い領域が特定される。
• 信号（トップ＋ステルスストップ）と背景（純粋なt\bar{t}）仮説を比較するための対数尤度比 $L$ が構築され、LO行列要素とパートンシャワーイベントが使用されている。
• 系統的不確実性はCTEQ6m PDFセットの変動を用いて評価され、特にスピン相関シグネチャーに影響を与える $q\bar{q}$ および $gg$ 初期状態の差に注目している。
• 包含的イベントサンプルと低-$M_{\text{eff}}$サブサンプルの比較により、PDF不確実性に対してスピン相関がより頑健な領域が特定された。
• 本手法は、最悪のPDF変動下でも、低-$M_{\text{eff}}$領域において信号＋背景の尤度分布が背景のみの仮説から良好に分離されることを示すことで、妥当性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeV LHCにおけるトップクォークスピン相関は、ステルスストップイベントと標準模型のt\bar{t}イベントを区別するために利用可能か？
• RQ2 包含的イベントサンプルにおける部分素粒子分布関数（PDF）不確実性がスピン相関測定に与える影響は何か？
• RQ3 有効質量（$M_{\text{eff}}<400$ GeV）が小さい領域に制限することで、系統的不確実性が低減され、信号の識別が向上するか？
• RQ4 $q\bar{q}$ と $gg$ 初期状態におけるスピン相関強度の違いは何か？また、その測定の信頼性に与える影響は？
• RQ5 系統的課題が存在する中で、スピン相関技術がステルスストップ発見のための$5\sigma$の有意性を達成できるか？

主な発見

• 包含的イベントサンプルでは、$q\bar{q}$ と $gg$ 初期状態におけるスピン相関の違いにより、PDF不確実性が、トップクォーク対とステルスストップ崩壊由来のトップクォーク対の区別を信頼性なくしている。
• 低-$M_{\text{eff}}$イベント（$M_{\text{eff}}<400$ GeV）ではスピン相関信号が強く、方位角差 $\Delta\phi_{ll}$ の分布が明確な信号形状を示している。
• 最悪のPDF変動（CTEQ6m）下でも、低-$M_{\text{eff}}$イベントの対数尤度比は、信号＋背景と背景のみの仮説の間で優れた分離を示している。
• 低-$M_{\text{eff}}$領域では、信号と背景の分離が強く、今後の発見に向けた有望な運動量サブサンプルであることが示された。
• 包含的サンプルはPDF不確実性によって損なわれるが、低-$M_{\text{eff}}$領域は100 fb$^{-1}$の統計的データ量で$5\sigma$の感度を達成するための実用的な道筋を提供している。
• 本研究は、この手法を包含的サンプルに拡張するにはPDF知識の向上が不可欠であるが、低-$M_{\text{eff}}$アプローチは依然として頑健な代替手段であると結論づけた。