[论文解读] Boosted Tops from Gluino Decays

J. Berger, Maxim Perelstein+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文提出利用通过先进喷注子结构技术识别的顶夸克标记喷注（top-tagged jets），以提升大型强子对撞机（LHC）在自然超对称模型中对通过壳停夸克衰变的胶微子（gluinos）的探测灵敏度，尤其针对第三代守称夸克较轻的情况。该方法在14 TeV LHC、10 fb⁻¹积分亮度下，将发现可达1.3–1.4 TeV的胶微子质量，显著优于传统基于缺失横向动量（MET）的搜索方法在高质质量区间的性能。

ABSTRACT

Naturalness considerations, together with the non-observation of superpartners of the Standard Model particles at the Large Hadron Collider (LHC) so far, favor supersymmetric (SUSY) models in which third generation squarks are significantly lighter than those of the first two generations. In such models, gluino pair-production is typically the dominant SUSY production process at the LHC, and it often leads to final states with multiple top quarks. Some of these top quarks may be relativistic in the lab frame, in which case their hadronic decays may produce "top jets". We propose that the recently developed techniques for tagging top jets can be used to boost sensitivity of the LHC searches for this scenario. For example, within the simplified model used for this study, we estimate that a search with 2 top-tagged jets can probe gluino masses of up to about 1 TeV at the 7 TeV LHC with 30 inverse fb integrated luminosity.

研究动机与目标

• 提升在第三世代守称夸克质量轻于第一、二世代守称夸克的自然超对称模型中，对胶微子的LHC探测灵敏度。
• 解决在高质质量胶微子场景中，由于标准模型（SM）背景尾部显著，传统基于MET的搜索方法灵敏度下降的问题。
• 探索原本为额外维度和重共振态开发的顶夸克标记技术，在胶微子级联衰变中识别喷射态顶夸克的可行性。
• 证明顶夸克标记喷注可作为探测重胶微子的互补且强有力的信号，尤其在MET基搜索受背景系统学限制时。

提出的方法

• 研究采用仅包含胶微子、停夸克和中性子LSP的简化模型，假设胶微子通过壳停夸克衰变产生四个顶夸克。
• 应用顶夸克标记算法识别源自喷射态顶夸克的强子喷注，利用能量和子结构特征区分顶夸克喷注与轻夸克喷注。
• 在假设所有顶夸克在实验室参考系中为相对论性运动的前提下模拟信号事件，导致衰变产物在单个喷注中合并。
• 通过基准点（m(ġ), m(t̃)）=（1000, 500）GeV优化截断条件，包括对顶夸克标记喷注数量和缺失横向能量（MET ≥ 175 GeV）的要求。
• 背景通过QCD多喷注过程和顶对产生等SM过程建模，并应用误标记概率以估算不可约背景。
• 通过信号与背景比（S/B）和预期显著性（如14 TeV下10 fb⁻¹时为6.5σ）评估统计显著性，映射参数空间中的发现可达范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 顶夸克标记技术是否能提升在第三世代守称夸克较轻的自然超对称模型中对胶微子探测的灵敏度？
• RQ2 在缺乏强MET信号的情况下，利用顶夸克标记喷注可探测的胶微子最大质量是多少？
• RQ3 与传统基于MET的搜索相比，顶夸克标记喷注在信号与背景比和统计显著性方面表现如何？
• RQ4 限制顶夸克标记喷注探测灵敏度的主要不可约和可约背景是什么？如何估计或抑制这些背景？

主要发现

• 要求三个宽松顶夸克标记和MET ≥ 175 GeV的搜索，在14 TeV、10 fb⁻¹积分亮度下，对（m(ġ), m(t̃)）=（1000, 500）GeV的基准点可实现6.5σ的统计显著性。
• 当停夸克质量在300–700 GeV范围内时，该方法可将发现可达范围扩展至1.3–1.4 TeV的胶微子质量，且在整个发现区域内S/B > 10。
• 在14 TeV、10 fb⁻¹的数据集下，剪裁后信号事件数估计为8.5个，表明即使在高质质量区域也具有强灵敏度。
• 研究发现，MET截断对抑制主导的QCD多喷注背景至关重要；若无MET截断，S/B比值将降至约0.1，导致灵敏度不可行。
• 即使在无MET截断的情况下，最敏感的搜索仍为三重宽松顶夸克标记，但因QCD背景过强，显著性仅达约4.5σ。
• 结果表明，顶夸克标记技术可显著提升高质质量胶微子探测的灵敏度，尤其在MET基搜索受背景外推限制的场景中。