[论文解读] GMSB SUSY models with non pointing photons signatures in ATLAS at the LHC

Damien Prieur|ArXiv.org|Jul 7, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上利用ATLAS探测器重建非指向光子以探测规范介导超对称性自发破缺（GMSB）模型。通过详细探测器模拟与快速模拟框架，结果表明ATLAS电磁量能器对最轻中性ino（$\tilde{\chi}^0_1$）可实现2%的质量分辨率，对其寿命$c\tau$的测量精度可达5%，从而对基本超对称性破缺尺度$\sqrt{F_0}$的探测灵敏度达到4%。

ABSTRACT

The reconstruction of non pointing photons is a key feature for studying gauge mediated supersymmetry breaking (GMSB) models at the LHC. In this article the angular resolution of the ATLAS electromagnetic calorimeter is characterized from a detailed simulation of the detector. Resulting performances are used to reconstruct GMSB events with a fast simulation program, taking into account reconstruction effects. Finally, the sensitivity to extract the sparticles masses and the lightest neutralino lifetime is estimated.

研究动机与目标

• 开发ATLAS探测器中非指向光子的重建策略，以探测具有长寿命次基本粒子（NLSP）衰变的GMSB超对称模型。
• 利用详细探测器模拟，表征ATLAS电磁量能器对非指向光子的极角分辨率。
• 估算ATLAS探测器在GMSB模型中对最轻中性ino（$\tilde{\chi}^0_1$）质量与寿命的重建灵敏度。
• 确定从重建的$c\tau$与超对称粒子质量中可实现的对基本超对称性破缺尺度$\sqrt{F_0}$与 gravitino 质量$m_{\widetilde{G}}$的测量精度。

提出的方法

• 使用ATLAS探测器的详细模拟，研究电磁量能器对非指向光子的角分辨率。
• 调整簇集重建与簇集深度参数化方法，以校正非指向光子重建中的系统性偏差，包括S形效应与能量泄漏。
• 开发一种迭代算法，用于校正$\eta$方向上的位置重建偏差，从而提升非指向光子的分辨率。
• 采用快速模拟程序模拟探测器效应，包括基于实验束流数据与详细模拟所得的能量、时间与角分辨率。
• 利用光子能量、触发时间与轻子动量，对级联衰变$\tilde{l}_R \to \tilde{\chi}^0_1 l \to \tilde{G} l \gamma$进行运动学重建，以确定$m_{\tilde{\chi}^0_1}$与$c\tau$。
• 通过在实验室参考系中对$\tilde{\chi}^0_1$衰变的固有时分布拟合指数函数，提取$c\tau$寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS电磁量能器能否实现足够高的角分辨率，以重建来自长寿命中性ino衰变的非指向光子？
• RQ2 在具有非指向光子的GMSB模型中，最轻中性ino（$\tilde{\chi}^0_1$）的质量分辨率可达到多高？
• RQ3 利用重建的光子时间与顶点信息，对$\tilde{\chi}^0_1$寿命$c\tau$的测量精度能达到多高？
• RQ4 对基本超对称性破缺尺度$\sqrt{F_0}$与gravitino质量$m_{\widetilde{G}}$的重建灵敏度如何？

主要发现

• ATLAS电磁量能器对指向光子的极角分辨率为$\sigma_\theta \approx 60$ mrad/$\sqrt{E}$，但由于系统性偏差，非指向光子的性能有所下降。
• 在应用S形校正、扩展的$5\times3$簇集重建与迭代位置校正后，非指向光子的分辨率显著提升。
• 对于$c\tau_{\tilde{\chi}^0_1} = 100$ cm，$m_{\tilde{\chi}^0_1}$的质量分辨率为$\sigma_{\tilde{\chi}^0_1} = 1.7$ GeV，$m_{\tilde{l}_R}$的质量分辨率为$\sigma_{\tilde{l}_R} = 2.1$ GeV，基于$10^5$个超对称事件。
• 在$c\tau = 100$ cm时，$c\tau_{\tilde{\chi}^0_1}$的相对测量精度可达5%，而$c\tau$从10 cm到200 cm的灵敏度范围为3%至8%。
• 对基本超对称性破缺尺度$\sqrt{F_0}$的探测灵敏度为4%，对gravitino质量$m_{\widetilde{G}}$的探测灵敏度为8%。
• 分析表明，$c\tau$重建在宽范围内可行，正在探索统计方法以将可访问的$c\tau$范围扩展至当前模拟极限之外。