[论文解读] Identifying Multi-Top Events from Gluino Decay at the LHC

B. S. Acharya, Phill Grajek+4 more|ArXiv.org|Jan 22, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 53被引用 30

一句话总结

本文提出一种拟合方法，用于在LHC上从胶球子衰变中识别多重顶夸克末态，采用包含性道道计数而非直接重建顶夸克。结果表明，同电荷双轻子加多个b夸克喷注的通道具有最佳的早期发现潜力；即使在高组合背景下，利用约10 fb⁻¹的亮度，该方法也能以中等精度提取分支比和胶球子质量。

ABSTRACT

We study the LHC signal of a light gluino whose cascade decay is dominated by channels involving top, and, sometimes, bottom quarks. This is a generic signature for a number of supersymmetry breaking scenarios considered recently, where the squarks are heavier than gauginos. Third generation final states generically dominate since third generation squarks are typically somewhat lighter in these models. At the LHC we demonstrate that early discovery is possible due to the existence of multi-lepton multi-bottom final states which have fairly low Standard Model background. We find that the best discovery channel is 'same sign dilepton'. The relative decay branching ratios into tt, tb and bb states carry important information about the underlying model. Although reconstruction will yield evidence for the existence of top quarks in the event, we demonstrate that identifying multiple top quarks suffers from low efficiency and large combinatorial background, due to the large number of final state particles. We propose a fitting method which takes advantage of excesses in a large number of channels. We demonstrate such a method will allow us to extract information about decay branching ratios with moderate integrated luminosities. In addition, the method also gives an upper bound on the gluino production cross section and an estimate of the gluino mass.

研究动机与目标

• 开发一种方法，用于在直接重建因高组合背景而效率低下时，识别胶球子衰变中的多重顶末态。
• 提取胶球子衰变至tt、tb和bb末态的相对分支比，这些信息可揭示底层超对称谱的关键特征。
• 利用包含性可观测量估算胶球子产生截面和质量，以实现一致性检验和模型区分。
• 识别在低亮度（例如500 pb⁻¹）下具有显著信号过剩的早期发现通道。
• 证明通过拟合多个包含性通道，可克服高多重末态中直接顶夸克重建的局限性。

提出的方法

• 开发了一套拟合框架，使用包含多个轻子和b夸克喷注的末态计数作为可观测量，而非依赖于顶夸克重建。
• 通过蒙特卡罗模拟生成信号效率的模板，以估算不同衰变拓扑结构的探测效率。
• 该方法通过拟合多个通道中的观测事件计数，提取分支比、产生截面和胶球子质量。
• 利用多重轻子、多重底夸克末态的SM背景较低这一事实，增强早期发现潜力。
• 采用基于轻子-强子不变质量（mℓh > mcut）的隔离标准，以抑制来自强子活动的虚假轻子。
• 使用基准模型验证该方法，并在不同质量假设和亮度条件下测试其鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在识别胶球子衰变产生的多重顶末态时，包含性道道计数是否优于直接顶夸克重建？
• RQ2 在LHC上，胶球子衰变至富含顶夸克的末态时，哪种通道具有最佳的早期观测潜力？
• RQ3 能否通过多通道拟合方法，在中等亮度下测量衰变至tt、tb和bb末态的相对分支比？
• RQ4 在多大程度上可利用包含性可观测量约束胶球子质量和产生截面？
• RQ5 在高多重末态中，面对真实背景和高组合挑战时，该方法表现如何？

主要发现

• 同电荷双轻子加多个b夸克喷注通道具有最佳的早期发现潜力，在500 pb⁻¹的积分亮度下即显示出显著的信号过剩。
• 直接顶夸克重建的效率较低（单个顶夸克约49%），且受高组合背景严重影响，难以有效测量顶夸克多重性。
• 在约10 fb⁻¹的亮度下，所提出的拟合方法可中等精度提取胶球子衰变分支比，从而实现模型区分。
• 该方法可给出胶球子产生截面的上限，并对胶球子质量进行估计，作为分析一致性的检验。
• 有效质量可观测量即使在无完整重建的情况下，也能可靠估计质量差 M~g - MLSP。
• 引入如 mℓh > mcut 等运动学变量可改善轻子隔离，减少来自强子活动的虚假背景。