[論文レビュー] Using Final State Pseudorapidities to Improve s-channel Resonance Observables at the LHC

Ross Diener, Stephen Godfrey+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2009

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ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるsチャンネル共鳴状態の性質の測定を簡素化・改善するために、最終状態のレプトンの擬スピン速さ（pseudorapidity）を用いる手法を提案している。具体的には、中心-端対称性（$\tilde{A}_{CE}$）と前後対称性（$A_{FB}$）の測定を改善する。ラボフレームにおけるローレンツ不変な擬スピン速さの差を活用することで、質量中心フレームへのブーストを回避し、系統的不確実性を低減するとともに、従来の手法と同等またはより優れた統計的精度で測定の頑健性を向上させる。

ABSTRACT

We study the use of final state particle pseudorapidity for measurements of s-channel resonances at the LHC. Distinguishing the spin of an s-channel resonance can, in principle, be accomplished using angular distributions in the centre-of-mass frame, possibly using a centre-edge asymmetry measurement, A_CE. In addition, forward-backward asymmetry measurements, A_FB, can be used to distinguish between models of extra neutral gauge bosons. In this note we show how these measurements can be improved by using simple methods based on the pseudorapidity of the final state particles and present the expected results for A_FB and A_CE for several representative models.

研究の動機と目的

• 質量中心フレームにおける複雑な角度分布解析を、擬スピン速さに基づく観測量に置き換えることで、LHCにおけるsチャンネル共鳴状態のスピンおよび結合定数の測定を簡素化すること。
• 運動量ブーストおよびフレーム変換に伴う系統的不確実性を、角度分布測定において低減すること。
• 直接測定されたラボフレームにおける擬スピン速さの値を用いることで、$A_{FB}$および$A_{CE}$の測定の頑健性と明確性を向上させること。
• 擬スピン速さに基づく対称性が、より少ない仮定と誤差伝搬で標準的な結果を再現できることを示すこと。
• 擬スピン速さタグを用いて、統計を増やすために前方向キャリブレーター領域への対称性測定を拡張する可能性を検討すること。

提案手法

• 本手法は、最終状態のフェルミオン間の擬スピン速さの差$\Delta\eta = \eta_f - \eta_{\bar{f}}$の符号に基づいて、新たな中心-端対称性$\tilde{A}_{CE}$を定義し、$\cos\theta^*$の再構築を不要にする。
• $A_{FB}$に関しては、擬スピン速さの絶対値を用いて前後領域を割り当てる：$|\eta_f| > |\eta_{\bar{f}}|$ であるイベントは「前方向」とラベル付けされ、逆も同様である。これにより、初期状態のクォーク特定の曖昧さを回避できる。
• 本手法は、$\Delta\eta$のローレンツ不変性に依存しており、質量中心フレームへのブーストを必要とせず、すべての計算をラボフレームそのままで行える。
• 本手法は、$Y_{Z'}$依存のカットやクォーク-反クォークタグの必要性を回避し、イベント選別を簡素化し、誤識別を低減する。
• 著者らは、完全な角度分布を用いた標準的な$A_{FB}$および$A_{CE}$測定と比較し、複数の$Z'$モデルで一致を示した。
• 本手法は、$E_6$、Left-Right Symmetric、Littlest Higgs、および順次的標準模型$Z'$モデルに対してテストされ、オンピークおよびオフピークの$A_{FB}$値が計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量中心フレームの再構築を伴わずに、$\cos\theta^*$の再構築を不要とする、伝統的な$A_{CE}$と一致する中心-端対称性を、擬スピン速さの差で定義できるか？
• RQ2 $Y_{Z'}$に基づくタグではなく、擬スピン速さの絶対値を用いて、前後対称性を信頼性高く測定できるか？
• RQ3 運動量ブーストを伴う標準的手法と比較して、擬スピン速さに基づく手法は系統的不確実性を低減できるか？
• RQ4 新しい手法の統計的不確実性は、従来の手法と同等または改善されているか？
• RQ5 統計を増やすために、前方向キャリブレーター領域への対称性測定を拡張できるか？

主な発見

• 擬スピン速さに基づく$\tilde{A}_{CE}$対称性は、質量中心フレームの再構築や$\cos\theta^*$の再構築を必要とせず、標準的な$A_{CE}$測定を正確に再現した。
• 擬スピン速さの絶対値の順序付けを用いた$A_{FB}$測定は、$Y_{Z'}$カットを用いない場合でも、従来の手法と一貫した結果を示した。
• 中央近接の急速さ領域のイベント（$|Y_{Z'}| < Y_{\text{min}}$）を除外すると、相対的不確実性が増加するが、その恩恵はほとんどないため、不確実性を最小限に抑えるために、全急速さ範囲を含めるべきであると著者らは提言している。
• 本手法は、$E_6$、Left-Right Symmetric、Littlest Higgs、および順次的標準模型の$Z'$モデルを含む複数の$Z'$モデルで頑健に機能し、オンピークおよびオフピークの$A_{FB}$値が期待通りに一致した。
• 本手法は、複雑な四元運動量ブーストを、測定された擬スピン速さに基づく単純な数え上げに置き換えることで、分析を簡素化し、誤差伝搬を低減した。
• 前方向キャリブレーター領域（FCAL）への測定を拡張することは原則的に可能であるが、信号効率とバックグラウンド抑制の性能は不確かであり、さらなる検討が必要である。