[论文解读] Don't Miss the Displaced Higgs at the LHC Again

Matthew R. Buckley, V. Halyo+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出将大规模并行计算（MPC）与GPU或Xeon Phi协处理器集成到LHC的高级触发（HLT）系统中，以实现实时的基于霍夫变换的触发，用于探测衰变位移的希格斯玻色子。通过利用MPC加速，该方法在仅1 fb⁻¹的LHC运行II阶段数据下，实现了足够的触发效率，可发现分支比低至6×10⁻⁴的长寿命希格斯模型，克服了当前实验因低pT和位移喷胶触发效率低下而面临的限制。

ABSTRACT

A signature often found in non-minimal Higgs sectors is Higgs decay to a new gauge-singlet scalar, followed by decays of the singlets into Standard Model fermions through small mixing angles. The scalar decay can naturally be displaced from the primary vertex. The present experimental constraints on such models are extremely weak, due to low (or zero) trigger rates for the resulting low $p_T$ displaced jets. In this letter, we highlight the advantages of integrating into the trigger system massively parallel computing and coprocessors based on Graphics Processing Units (GPUs) or the Many Integrated Core (MIC) architecture. In particular, if such coprocessors are added to the LHC experiments' high level trigger systems, a fast Hough transform based triggers performed on this hardware would result in significant improvement to displaced searches, sufficient to discover long-lived Higgs models with a small amount of luminosity in Run II at the 14 TeV LHC.

研究动机与目标

• 解决因对低pT、位移喷胶触发效率低下，导致对位移希格斯衰变实验灵敏度不足的问题。
• 克服当前HLT系统因高阈值和低效率而无法触发长寿命粒子的局限性。
• 证明基于MPC的霍夫变换触发可显著提升对位移希格斯衰变的发现能力。
• 在14 TeV LHC运行II阶段，以最小亮度实现对长寿命希格斯模型的早期发现。

提出的方法

• 将GPU或Xeon Phi协处理器集成到LHC的高级触发（HLT）系统中，以实现实时的大规模并行事件数据处理。
• 在协处理器硬件上实现快速霍夫变换算法，以检测长寿命粒子衰变产生的位移顶点。
• 利用霍夫变换识别位移喷胶的拓扑模式，特别是来自X → b̄b衰变的信号，通过将轨迹簇映射到潜在的顶点位置来实现。
• 将MPC触发置于HLT之前，以避免因HLT阈值更严格而导致的效率损失，实现更早的事件筛选。
• 利用GPU/MIC的高并行性，在毫秒内处理每事件250个堆叠事件，使实时位移顶点重建成为可能。
• 将MPC触发用作预筛选器，在保留对位移衰变信号敏感性的同时减少数据量，尤其适用于低质量希格斯玻色子。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模并行计算架构（如GPU或Xeon Phi）是否能显著提升LHC对位移希格斯衰变的触发效率？
• RQ2 在当前LHC亮度下，基于MPC触发的最小希格斯分支比（进入长寿命标量）是多少，可实现探测？
• RQ3 MPC触发在探测来自希格斯衰变的位移4b末态方面，与现有HLT系统的性能相比如何？
• RQ4 基于MPC的霍夫变换触发能否在运行II早期阶段探测到125 GeV希格斯玻色子的分支比低于10⁻³的位移衰变？
• RQ5 使用MPC触发事件探测非标准模型希格斯玻色子衰变为位移X → b̄b态时，需要多大的亮度？

主要发现

• 基于霍夫变换处理的MPC触发相比当前HLT系统，在位移4b事件中实现了接近50倍的触发效率提升。
• 在仅1 fb⁻¹的LHC运行II阶段数据下，利用MPC触发，可在10事件水平上实现对SM希格斯玻色子衰变为XX → 4b（分支比为6×10⁻⁴）的发现。
• 当前HLT系统在相同亮度下，需分支比大于4%–10%才能实现对125 GeV希格斯玻色子的10事件发现，凸显了现有触发机制的低效性。
• 对于200 GeV的非标准模型希格斯玻色子（h′）衰变为X → b̄b且cτ < 100 mm的情况，MPC触发相比当前基于HLT的搜索，将所需亮度降低了至少一个数量级。
• MPC触发使原本对当前LHC搜索不可及的参数区域（特别是低质量希格斯玻色子和长寿命X标量）中的位移希格斯衰变得以发现。
• 所提出的基于MPC的触发系统可部署在HLT之前，避免高亮度LHC阶段HLS阈值提高带来的效率损失，即使这些阈值预计将逐步提升。