[論文レビュー] Understanding and improving the Effective Mass for LHC searches

María Eugenia Cabrera, J.A. Casas|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、LHCのマルチジェット＋欠落エネルギー探索における有効質量（$M_{\rm eff}$）と超対称性スケールの強い経験的相関を説明し、真の超対称性質量（$M_{\rm susy}$）とより直接的に相関する新しい変数、有効横断エネルギー（$\mathcal{E}_T^{\rm eff}$）を提案する。$\mathcal{E}_T^{\rm eff}|_{\rm max} \simeq M_{\rm susy}$ となる。この新しい変数はジェット再構成に依存せず、超対称性および標準模型を越える物理の探索における質量スケール決定を改善する。

ABSTRACT

A handy and extensively used kinematic variable in LHC analyses, especially for golden SUSY signals of multijets plus missing energy, is the Effective Mass, M_eff = sum_j |p_T^j|+ |p_T^miss|. Empirically, the value of M_eff at which the histogram of events has a maximum is correlated with the SUSY spectrum, M_eff|_max ~ 80% M_susy, where M_susy is essentially the sum of the masses of the SUSY particles initially created. In this paper we explain the reason for such strong correlation, pointing out the cases where the correlation is not good. Besides, we propose a new variable, the Effective Transverse Energy, E_T^eff, which shows an even better and more direct correlation E_T^eff|_max ~ M_susy, and is independent of the procedure followed to identify the jets. E_T^eff and M_eff are complementary variables, rather than competitors; and plotting histograms in both can be useful to cross-check the results, allowing a better and more robust identification of M_susy. The extension of this procedure to other scenarios of new physics (not necessarily SUSY) is straightforward.

研究の動機と目的

• LHCのマルチジェット＋欠落エネルギー事象における $M_{\rm eff}$ と $M_{\rm susy}$ の経験的相関を説明すること。
• $M_{\rm eff}$ の限界、特に非-CMSSMモデルやジェット再構成が曖昧な場合の問題点を特定すること。
• 真の $M_{\rm susy}$ とより直接的かつ頑健に相関する新しい運動量変数 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ を提案すること。
• $M_{\rm eff}$-$M_{\rm susy}$ 相関の理論的基盤を提供し、先行研究における経験的性質を解消すること。
• $M_{\rm eff}$ と $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ を補完的ツールとして組み合わせることで、超対称性および新物理探索における質量スケール決定を改善すること。

提案手法

• 重い超対称性粒子が軽い粒子と非可視粒子に二体崩壊する際の運動量バランスを分析することで、$M_{\rm eff}$-$M_{\rm susy}$ 相関の理論的起源を導出する。
• $\mathcal{E}_T^{\rm eff} = \sum_{j} |p_T^j| + \langle E_T^X \rangle$ を導入し、$\langle E_T^X \rangle$ は静止系における角度平均を用いて非可視粒子の期待横断エネルギーを推定する。
• 極近似（$\theta = \pi/2$）と非可視粒子の等方的放出を仮定し、対称な二体崩壊に対して $\langle E_T^X \rangle \simeq 2 p_T^X$ を導出する。
• 中性子の質量 $m_\chi$ を含めることで推定値を改善し、$\langle E_T^X \rangle \simeq \sqrt{4(p_T^X)^2 + 4m_\chi^2}$ を得る。これにより低 $p_T^X$ 地域での精度が向上する。
• さまざまなMSSMモデル、特に $M_{\rm eff}$ が失敗する非-CMSSM状況を含む、モンテカルロシミュレーションを用いて相関の改善を検証する。
• $M_{\rm eff}$ と $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ を併用することで、結果の相互検証を可能とし、質量スケール抽出の頑健性を向上させる手法を提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMSSMモデルにおいて、経験的性質を持つにもかかわらず、なぜ $M_{\rm eff}|_{\rm max}$ が $M_{\rm susy}$ と非常に強く相関するのか？
• RQ2 $M_{\rm eff}$-$M_{\rm susy}$ 相関が破綻する状況は何か？ その原因は何か？
• RQ3 ジェット再構成手順に依存せず、$M_{\rm susy}$ とより直接的に相関する新しい運動量変数を構築可能か？
• RQ4 非可視粒子の質量（$m_\chi$）をエネルギー推定に組み込むことで、有効エネルギー変数の精度はどのように向上するか？
• RQ5 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ と $M_{\rm eff}$ を併用することで、LHC解析における $M_{\rm susy}$ 決定の頑健性はどの程度向上するか？

主な発見

• $M_{\rm eff}$-$M_{\rm susy}$ 相関は、二体崩壊における運動量保存則と等方的放出に起因し、CMSSMモデルにおけるその経験的成功を説明する。
• 非-CMSSMモデルでは相関が破綻する。特に、最軽量中性ニョロが重い場合や、複数の非可視粒子が生成される場合に顕著である。
• 提案された $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ 変数は $\mathcal{E}_T^{\rm eff}|_{\rm max} \simeq M_{\rm susy}$ を達成し、$M_{\rm eff}$ よりも顕著に改善され、より直接的な相関を示す。
• 中性子質量 $m_\chi$ を含めた推定 $\langle E_T^X \rangle \simeq \sqrt{4(p_T^X)^2 + 4m_\chi^2}$ により、$\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ の精度が向上し、特に低横断運動量領域で顕著である。
• 新しい変数 $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ はジェット再構成に依存しないため、複雑な最終状態において $M_{\rm eff}$ よりも頑健である。
• $M_{\rm eff}$ と $\mathcal{E}_T^{\rm eff}$ を併用することで、相互検証が可能となり、$M_{\rm susy}$ 決定の信頼性が著しく向上する。