[论文解读] An improved mass reconstruction technique for a heavy resonance decaying to $ au^+ au^-$

L. Xia|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对衰变为 $\tau^+\tau^-$ 的重共振态的新质量重建技术，仅使用不可见动量的大小 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ 和可见/不可见衰变产物的质量 ($m_{\text{vis}}, m_{\text{inv}}$)，将未知数从八个减少到四个。通过蒙特卡洛模拟采样这些变量，并选择似然最大的质量值，该方法实现了相对于标称质量的14%质量分辨率，优于传统方法，且无需假设中微子动量或求解复杂方程。

ABSTRACT

For a resonance decaying to $ au^+ au^-$, it is difficult to reconstruct its mass accurately because of the presence of neutrinos in the decay products of the $ au$ leptons. If the resonance is heavy enough, we show that its mass can be well determined by the magnitude of the momentum of the invisible decay products, $|\vec{p}_{inv}|$, and the mass of the visible/invsible decay products, $m_{vis/inv}$, for $ au$ decaying to hadrons/leptons (4 unknowns in total). We do not need to know all the components of $\vec{p}_{inv}$s and $m_{vis/inv}$s (8 unknonws in total). By sampling all kinematically allowed values of $|\vec{p}_{inv}|$ and $m_{vis/inv}$ according to their distributions in the MC simulations, the mass of the mother resonance is assumed to lie at the postion with the maximal probability. This new mass reconstruction technique inherits the similar idea from the Missing Mass Calculator Technique (MMCT). It has a better performance, since it neither relies on the assumption that only the neutrinos from the tau leptons contribute to the missing transverse energy, nor requires to solve a set of equations. The method is tested using the MC simulations of the reaction $pp o Z/h(125)/h'(750) o au au$ at 13~TeV. The reconstructed mass resolution divided by the nominal mass is found to be about 14\%.

研究动机与目标

• 解决重共振态衰变为 $\tau^+\tau^-$ 时，衰变产物中的中微子导致动量不平衡而难以精确重建质量的挑战。
• 减少对不可见中微子完整动量重建的依赖，因为这在实验数据中不切实际。
• 与现有技术（如缺失质量计算器技术，MMCT）相比，提升质量分辨率，特别是在高能共振态场景下。
• 开发一种避免假设仅 $\tau$-中微子对缺失横向能量有贡献，并消除求解方程组需求的方法。

提出的方法

• 该方法仅使用不可见动量的大小 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ 和质量 $m_{\text{vis}}$ 与 $m_{\text{inv}}$ 作为运动学变量，将未知数从八个减少到四个。
• 基于蒙特卡洛模拟分布，对所有允许的 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ 和 $m_{\text{vis/inv}}$ 值进行采样。
• 通过识别使观测到的运动学构型似然最大的质量值来确定共振态质量。
• 该方法继承了缺失质量计算器技术（MMCT）的核心思想，但通过避免对中微子动量的假设并消除方程求解过程，实现了改进。
• 使用 $pp \to Z/h(125)/h'(750) \to \tau^+\tau^-$ 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下的蒙特卡洛模拟对该方法进行了验证。
• 该方法假设共振态质量位于由采样变量导出的概率分布的峰值处。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过减少对完整中微子动量重建的依赖，能否更准确地重建衰变为 $\tau^+\tau^-$ 的重共振态的质量？
• RQ2 仅使用 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ 和 $m_{\text{vis/inv}}$ 作为变量，是否能获得优于传统方法的质量分辨率？
• RQ3 消除仅 $\tau$-中微子对缺失横向能量有贡献的假设，在多大程度上能提升重建性能？
• RQ4 该方法能否在避免求解复杂方程组的同时，保持高质量的质量重建分辨率？
• RQ5 在高能 $\tau^+\tau^-$ 共振态衰变中，该技术可实现的可达成质量分辨率是多少？

主要发现

• 所提出的方法实现了约14%的重建质量分辨率（相对于标称共振态质量）。
• 该分辨率的获得不依赖于仅 $\tau$-中微子对缺失横向能量有贡献的假设，从而提高了鲁棒性。
• 该方法避免了解方程组，简化了实现过程并降低了计算成本。
• 通过从蒙特卡洛分布中采样 $|\vec{p}_{\text{inv}}|$ 和 $m_{\text{vis/inv}}$，该方法有效捕捉了共振态质量的运动学似然。
• 通过将未知数从八个减少到四个，该技术显著提升了精度，优于传统方法。
• 该方法在 $pp \to Z/h(125)/h'(750) \to \tau^+\tau^-$ 的13 TeV模拟中得到验证，证实了其可行性与性能。