[论文解读] Model Independent Extra-dimension signatures with ATLAS

L. Vacavant, I. Hinchliffe|ArXiv.org|May 23, 2000

Geophysical and Geoelectrical Methods参考文献 3被引用 11

一句话总结

本文利用ATLAS探测器，在LHC上提出了大额外维的模型无关信号，重点关注喷注+缺失横向能量和光子+缺失能量末态。结果表明，在50 fb⁻¹亮度下，LHC在√s = 14 TeV时可探测到$M_D$高达6 TeV（当$\delta=2$时），而由于事件率降低和参数空间覆盖有限，10 TeV时灵敏度显著下降。

ABSTRACT

The generic missing transverse energy signals at LHC for theories having large extra dimensions are discussed. Final states of jets plus missing energy and photons plus missing energy are simulated in the ATLAS detector. The discovery limit of LHC and the methods to determine the parameters of the underlying model are discussed.

研究动机与目标

• 在LHC的ATLAS探测器中识别大额外维的通用、模型无关信号。
• 评估LHC通过缺失横向能量信号探测Kaluza-Klein引力子产生的发现潜力。
• 评估ATLAS对基本引力尺度$M_D$和额外维数量$\delta$的灵敏度。
• 确定利用喷注+缺失$E_T$和光子+缺失$E_T$末态测量$M_D$和$\delta$的可行性。
• 比较LHC在10 TeV与14 TeV质心系能量下探测额外维的灵敏度差异。

提出的方法

• 使用ATLFAST模拟ATLAS探测器响应下的喷注+缺失$E_T$和光子+缺失$E_T$末态。
• 采用有效场论模型描述Kaluza-Klein引力子产生，其耦合常数与$M_D^{-(\delta+2)}$成正比。
• 使用部分子截面公式$\frac{d^4\sigma}{dm^2 dp_T^2 dy_{\text{jet}}, dy_G} \propto \frac{m_G^{\delta-2}}{M_D^{\delta+2}} \cdot \frac{d\sigma_m}{dt} \sum_{i,j} \frac{f_i(x_1)}{x_1} \frac{f_j(x_2)}{x_2}$计算信号事例率。
• 实施事件选择，包括触发、轻子屏蔽和拓扑学切割，以抑制标准模型背景。
• 使用统计显著性$S/\sqrt{B}$和$S/\sqrt{3B}$估算灵敏度，比较信号与背景事例数。
• 对比$\sqrt{s} = 10$ TeV与$\sqrt{s} = 14$ TeV下的结果，评估发现能力的能量依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\sqrt{s} = 14$ TeV下，ATLAS探测器通过喷注+缺失$E_T$和光子+缺失$E_T$信号对大额外维的灵敏度如何？
• RQ2 LHC探测额外维的发现能力如何依赖于基本引力尺度$M_D$和额外维数量$\delta$？
• RQ3 能否通过缺失能量信号区分$M_D$和$\delta$？其局限性是什么？
• RQ4 10 TeV的较低质心系能量相比14 TeV如何影响灵敏度？
• RQ5 对于不同的$M_D$和$\delta$值，信号在标准模型背景之上的统计显著性是多少？

主要发现

• 在$\sqrt{s} = 14$ TeV且50 fb⁻¹亮度下，当$\delta=2$、$M_D=4$ TeV时，信号显著性达到$S/\sqrt{6B} = 9.5$，表明具有强大的发现潜力。
• 对于$\delta=2$、$M_D=6$ TeV的情况，10 TeV下的信号率仅为14 TeV时的约三分之一，导致低能下灵敏度受限。
• 在$\sqrt{s} = 10$ TeV下，由于事例率不足，即使在50 fb⁻¹亮度下也无法探测$\delta=4$的情形。
• 仅当$M_D \lesssim 5$ TeV且$\sqrt{s} = 14$ TeV时，才能以高统计显著性区分$\delta=2$与$\delta=3$的情形。
• 在$\sqrt{s} = 10$ TeV且$E_T^{\text{cut}} = 1$ TeV条件下，$jZ(\nu\nu)$、$jW(\tau\nu)$和$jW(\ell\nu)$的背景事例数仍保持在56.4件。
• 在$\sqrt{s} = 10$ TeV下，当$\delta=2$、$M_D=6$ TeV时，信号显著性降至$S/\sqrt{6B} = 1.8$，表明发现能力有限。