[论文解读] On the Feasibility and Utility of ISR Tagging

David Krohn, Lisa Randall+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

本文提出ISR打标——在强子对撞机数据中逐事件识别初态辐射喷射流，以提取新物理超出标准模型的运动学信息。通过利用超对称双-selectron和双-胶子微子产生过程中ISR喷射流的独特运动学特性，作者实现了约40%的打标效率与约10%的误打标率，利用一种新颖的运动学方法，使标量夸克和胶微子的质量重建精度达到真实值的20%以内。

ABSTRACT

The production of new particles at a hadron collider like the LHC is always accompanied by QCD radiation attributable to the initial state (i.e. ISR). This tends to complicate analyses, so ISR is normally regarded as a nuisance. Nevertheless, we show that ISR can also be valuable, yielding information that can help in the discovery and interpretation of physics beyond the Standard Model. To access this information we will introduce new techniques designed to identify ISR jets on an event-by-event basis, a process we term ISR tagging. As a demonstration of their utility, we will apply these techniques to SUSY di-squark (di-gluino) production to show that they can be used to identify ISR jets in roughly 40% (15%) of the events, with a mistag rate of around 10% (15%). We then show that, through the application of a new method which we will introduce, knowledge of an ISR jet allows us to infer the squark (gluino) mass to within roughly 20% of its true value.

研究动机与目标

• 证明初态辐射（ISR）喷射流，通常被视为干扰因素，可被系统性地打标并用于提取新物理信息。
• 开发适用于成对产生新物理粒子并衰变为喷射流与隐形粒子的逐事件ISR喷射流打标技术。
• 利用ISR喷射流与新物理粒子之间的运动学关联，实现对新物理粒子（如标量夸克、胶微子）质量的精确测量，且不依赖于完整的SUSY谱。
• 表明即使在LSP质量接近简并的复杂情形下，ISR打标技术仍可实现低误打标率与高效率。

提出的方法

• 通过选择事件中Nf+1个最硬喷射流中的最硬喷射流来识别ISR喷射流，其中Nf为末态辐射（FSR）喷射流的数量。
• 应用三项打标标准：(1) 在Nf+1个最硬喷射流中具有最小横动量；(2) 与FSR喷射流系统具有最大空间角分离；(3) 与FSR喷射流系统组合时具有最小不变质量。
• 对满足条件的多个喷射流使用排序系统，优先选择满足式(1)的喷射流，其次为(2)或(3)。
• 采用一种基于FSR动量在横向ISR方向投影平均符号的新运动学方法，以推断新物理粒子的质量。
• 使用Pythia 6.422在14 TeV LHC下模拟事件，采用MLM匹配方法，使用反-kT算法（R=0.7，双-selectron；R=0.4，双-胶子微子）进行喷射流聚类，并在0.1×0.1 η-φ单元中分析打标性能。
• 使用蒙特卡洛样本计算不同SUSY谱下的打标效率与误打标率，包括LSP质量简并的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在新物理过程（涉及成对产生并衰变为喷射流与隐形粒子的粒子）中，能否可靠地实现逐事件ISR喷射流识别？
• RQ2 在LHC的高多重末态中，ISR喷射流与FSR喷射流在运动学特性上有哪些显著区别？
• RQ3 对ISR喷射流的了解在多大程度上可实现对产生新物理粒子质量的精确重建，且不依赖于其他模型参数？
• RQ4 在LSP质量接近简并的场景下，ISR打标技术的鲁棒性如何，此类情况会显著影响标准质量测量方法？

主要发现

• 即使在LSP质量接近简并的情况下，ISR打标对双-selectron产生仍可实现约40%的打标效率，对双-胶子微子产生则为15%。
• 双-selectron产生时误打标率保持在约10%，双-胶子微子产生时约为15%，表明该打标方法具有高度可靠性。
• 所提出的运动学方法可将标量夸克或胶微子质量重建至真实值的约20%以内，且无需对SUSY谱其余部分做任何假设。
• 该方法能成功识别出FSR动量在横向ISR方向投影平均符号穿过零点的点，该点对应于动量平衡状态，即新物理质量标度。
• 在不同SUSY谱下，打标性能保持稳定，包括LSP质量接近产生粒子质量的情况，证明了方法的鲁棒性。
• 结果表明，ISR传统上被视为背景源，但可被重新利用为新物理发现与精确测量的强大工具。