[论文解读] Review of opportunities for new long-lived particle triggers in Run 3 of the Large Hadron Collider

J. Alimena, J. B. Beacham+76 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文回顾了大型强子对撞机（LHC）Run 3阶段检测长寿命粒子（LLPs）的新触发策略，提出了针对ATLAS、CMS和LHCb的定制化方法，基于探测器特有的信号特征，如延迟衰变、电离径迹和软非簇射能量分布。文章强调在Run 3的调试阶段需开展专用模拟与触发开发，以扩展当前覆盖范围之外的LLP探测能力。

ABSTRACT

Long-lived particles (LLPs) are highly motivated signals of physics Beyond the Standard Model (BSM) with great discovery potential and unique experimental challenges. The LLP search programme made great advances during Run 2 of the Large Hadron Collider (LHC), but many important regions of signal space remain unexplored. Dedicated triggers are crucial to improve the potential of LLP searches, and their development and expansion is necessary for the full exploitation of the new data. The public discussion of triggers has therefore been a relevant theme in the recent LLP literature, in the meetings of the LLP@LHC Community workshop and in the respective experiments. This paper documents the ideas collected during talks and discussions at these Workshops, benefiting as well from the ideas under development by the trigger community within the experimental collaborations. We summarise the theoretical motivations of various LLP scenarios leading to highly elusive signals, reviewing concrete ideas for triggers that could greatly extend the reach of the LHC experiments. We thus expect this document to encourage further thinking for both the phenomenological and experimental communities, as a stepping stone to further develop the LLP@LHC physics programme.

研究动机与目标

• 识别并系统化LHC Run 3阶段长寿命粒子（LLPs）的新触发概念。
• 解决当前LLP搜索覆盖中的空白，特别是高度位移或弱相互作用信号的探测。
• 在Run 3调试阶段支持专用触发器与模拟工具的开发。
• 促进理论物理学家与实验物理学家之间的协作，以拓展LLP物理计划。
• 评估基于RICH响应、轨迹各向异性和软能量分布等新型触发方案在LHCb中的可行性。

提出的方法

• 回顾LLPs的理论动机，包括具有长衰变长度和奇异耦合的模型。
• 分析探测器特异性信号，如慢速电离粒子导致的缺失RICH信号和软非簇射能量分布（SUEPs）。
• 提出基于轨迹变量（如事件各向异性和ECAL与HCAL簇集占用率）的触发策略。
• 评估LHCb中RICH子探测器在区分带电重稳定粒子（CMSPs）方面的潜力。
• 建议在全数据采集前，对新触发算法开展专用模拟与重建研究。
• 借鉴LLP@LHC研讨会及合作讨论的洞见，识别可行的触发路径。

Figure 1: Track types reconstructed at the LHCb experiment by the tracking system Collaboration:1647400 .

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC Run 3阶段，哪些新型触发策略可扩展当前覆盖范围之外的LLP探测能力？
• RQ2 LHCb升级后的RICH系统如何实现对慢速电离粒子（如CMSPs）的新触发？
• RQ3 能否通过ECAL与HCAL簇集占用率有效识别并触发软非簇射能量分布（SUEPs）？
• RQ4 基于轨迹的变量（如事件各向异性）在触发级别识别SUEP类事件中发挥何种作用？
• RQ5 为使Run 3阶段的新LLP触发方案可行，需开展哪些模拟与重建开发？

主要发现

• LHCb即将实施的RICH升级可实现基于缺失切伦科夫光子的CMSP零背景搜索，这是一种极具区分力的信号特征。
• 慢速电离粒子导致的RICH信号缺失可作为强有力的触发判别依据，但需开展专用模拟。
• SUEP信号可能通过ECAL与HCAL中的簇集占用模式被识别，但需进行详细可行性研究。
• 在HLT1级别使用基于事件各向异性的轨迹触发策略，可帮助标记SUEP类事件，提供低延迟触发路径。
• 许多提议的触发方案需先进行模拟与重建开发，因此Run 3的调试阶段对可行性测试至关重要。
• 本文为未来触发开发及理论与实验界协作提供了基础性路线图。