[论文解读] On the Phenomenology of Hidden Valleys with Heavy Flavor

Matthew J. Strassler|ArXiv.org|Jun 14, 2008

Remote Sensing and Land Use被引用 42

一句话总结

本文研究了具有重味最终态且无双轻子共振态的隐谷模型，发现由于喷注-部分子对应关系被破坏，传统喷注分析方法失效。取而代之，本文主张结合位移顶点计数、μ子追踪以及事例形状变量与缺失能量，以隔离信号，其中单喷注不变质量（R=0.7）在理想条件下成为最具前景的可观测量。

ABSTRACT

A preliminary investigation of a large class of Hidden Valley models is presented. These models are more challenging than those considered in arXiv:0712.2041 [hep-ph]; although they produce a new light resonance which decays to heavy standard model fermions, they exhibit no light dilepton resonance. A heavy $Z'$ decaying to v-hadrons, which in turn decay mainly to bottom quarks and tau leptons, is considered; six case studies are investigated, using a new Monte Carlo simulation package. It is found that the one-to-one correspondence of jets and partons is badly broken, and the high-multiplicity heavy-flavor signal probably cannot be isolated by counting jets, with or without heavy-flavor tags. Instead, other measures, such as counting and correlating vertices or displaced tracks, and possibly counting of (non-isolated) muons and use of event-shape variables, should be combined with scalar transverse energy and/or missing transverse energy to reduce backgrounds. Within the resulting sample, searches for the v-pion mass resonance in both di-jet and single-jet invariant mass can help confirm a signal. The best observable in a perfect calorimeter seems to be single-jet invariant mass for jets of larger radius ($R$=0.7), although this needs further study in a realistic setting. A more detailed signal-to-background study is needed as a next step, but will face the difficulty of estimating the various high-multiplicity backgrounds.

研究动机与目标

• 研究具有即时衰变和最终态主要由底夸克与τ轻子主导、且无双轻子共振态的隐谷模型的唯象学特征。
• 解决在高多重性、非热事件中存在显著事例间多重性涨落时的背景估计难题。
• 识别超越标准喷注计数的可行搜索策略，尤其在部分子-喷注对应关系失效的情境下。
• 评估单喷注与二喷注不变质量分布确认v-π共振态存在的潜力。
• 通过识别在真实探测器条件下稳健的非标准可观测量，为未来信号对背景的研究奠定基础。

提出的方法

• 使用新的蒙特卡罗模拟软件包（HVMC 0.5）生成六个隐谷模型案例的事件，这些模型包含一个衰变为v-强子的重Z′粒子。
• 采用FastJet的$k_{T}$和基于圆锥的喷注算法，使用不同的R参数（0.4、0.52、0.7、1.0）重建喷注，并与部分子喷注进行比较。
• 通过在多种算法下比较部分子喷注与强子喷注在$p_T$和伪快度上的匹配情况，分析喷注-部分子对应关系。
• 评估非标准可观测量：位移顶点计数、非孤立μ子追踪，以及结合标量$H_T$与缺失横向能量的事例形状变量。
• 研究二喷注与单喷注（R=0.7）的不变质量分布，以识别来自v-π衰变的潜在共振态。
• 对不同算法下的喷注重建性能进行详细比较，包括中点圆锥算法与不同R设置下的$k_{T}$算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 喷注-部分子对应关系的破坏如何影响在高多重性、重味隐谷信号中实现信号隔离的能力？
• RQ2 在无双轻子共振态且存在显著事例间多重性涨落的隐谷模型中，哪些替代可观测量能有效降低背景？
• RQ3 哪种喷注重建算法及半径（R）在单喷注不变质量中对v-π共振态具有最佳灵敏度？
• RQ4 在缺乏标准共振信号的情况下，位移顶点与非孤立μ子能否作为识别v-强子衰变的有效手段？
• RQ5 事例形状变量与缺失横向能量如何与标量$H_T$结合，以增强在真实背景下的信号可见性？

主要发现

• 在高多重性隐谷事件中，部分子与喷注之间的一对一对应关系严重破坏，导致标准喷注计数无法有效实现信号隔离。
• 在理想量能器条件下，R=0.7的单喷注不变质量分布在观测v-π共振态方面展现出最佳潜力，尽管仍需在真实探测器环境中进一步研究。
• 结合位移顶点计数、非孤立μ子追踪、事例形状变量与缺失横向能量，可提供比仅依赖喷注计数更稳健的信号识别策略。
• $k_{T}$与圆锥算法均能成功从强子喷注中重建出部分子喷注，但对应关系在较大R值时下降，尤其在$k_{T}$算法中R=0.91时更为明显。
• 所有算法与R设置下，最高$p_T$的部分子喷注与强子喷注保持良好相关性，但该相关性不适用于低$p_T$喷注或整体事例拓扑结构。
• 来自b-强子衰变的次级μ子具有显著影响，其$p_T$谱非平凡，且每事件中可探测到可观数量的μ子，支持其作为信号探测手段的有效性。