[论文解读] Search for long-lived particles in ATLAS and CMS

S. Giagu|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文提出了在大型强子对撞机（LHC）的ATLAS和CMS实验中探测长寿命粒子（LLP）的策略，重点关注标准模型之外的带电和中性LLP。通过采用基于飞行时间（time-of-flight）和dE/dx测量的专用触发算法，该研究实现了高效的本底抑制，并展示了仅需100 pb⁻¹的积分亮度即可实现对胶球子和停粒子等重稳定粒子的发现潜力。

ABSTRACT

The ATLAS and CMS detectors can be used to search for heavy long-lived particles which might signal physics beyond the Standard Model. Such new states can be distinguished from Standard Model particles by exploiting their unique signatures, ranging from multi-leptons and/or jets pro- duction anywhere within the detector volume, to minimum ionizing particles with low velocity and high momentum. Here are reviewed the strategies proposed by ATLAS and CMS to search for these signals, with particular emphasis on possible challenges to the trigger and detector operations.

研究动机与目标

• 开发并评估大型强子对撞机（LHC）ATLAS和CMS实验中长寿命粒子（LLP）的触发与重建策略。
• 解决因低速或衰变位移导致标准触发机制漏检LLP的挑战。
• 在保持LLP信号高效率的同时，减少宇宙射线和QCD过程带来的本底。
• 通过专用触发算法，实现在早期阶段发现新物理（如R-夸克分子、胶球子和Kaluza-Klein粒子）。

提出的方法

• 利用高分辨率μ子系统测量飞行时间，以确定长寿命带电粒子的速度β。
• 将中央追踪器中的dE/dx测量与飞行时间数据结合，以提升质量和β的识别能力。
• 为中性LLP（如Higgs粒子衰变产生的长寿命中性粒子πᵥ）设计基于信号特征的L1和L2触发，依据包括位移顶点和异常喷注能量分布。
• 实施对μ子谱仪中晚期衰变（如圆锥内多个μ子候选）和量能器中晚期衰变（如HAD/EM能量比高的无迹喷注）敏感的触发策略。
• 结合dE/dx和飞行时间测量得到的β值，以排除宇宙射线和错误重建的μ子本底。
• 使用完全模拟的事件样本，估算隐藏山谷模型中触发效率和本底接受率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ATLAS和CMS探测器中，对低β的长寿命带电粒子进行触发与重建面临哪些关键挑战？
• RQ2 如何结合飞行时间与dE/dx测量以提升对重稳定带电粒子的识别能力？
• RQ3 针对具有宏观衰变长度的中性长寿命粒子（如Higgs粒子衰变至隐性 sector 粒子），哪些触发策略有效？
• RQ4 在隐藏山谷模型背景下，基于信号特征的触发策略的预期本底率和信号效率是多少？
• RQ5 为观察到3个信号事例，不同长寿命粒子模型所需的积分亮度是多少？

主要发现

• CMS通过双β测量策略，将本底水平控制在每1 fb⁻¹积分亮度下低于1个事件，从而实现高灵敏度搜索。
• 当质量超过1 TeV时，积分亮度超过1 fb⁻¹即可实现胶球子的发现；而GMSB模型中的稳定停子仅需数百pb⁻¹即可被发现。
• ATLAS可使用基于信号特征的触发，触发约20%的h⁰ → πᵥπᵥ衰变事件，且QCD本底可忽略不计（L2级接受率为6 nb）。
• 当衰变顶点接近4500 mm时，强子量能器中晚期衰变LLP的L1级μ子触发效率在约3.5个候选/圆锥（ΔR = 0.4）时趋于饱和。
• 随着衰变顶点从靠近电磁量能器向强子量能器外区移动，πᵥ衰变喷注的log₁₀(E_HAD/E_EM)比值由负转正。
• 对于1.5 m的衰变长度，新触发策略将Higgs粒子衰变至长寿命中性粒子的接受率提高至总样本的15.7%，其中仅μ子簇触发的效率为9%。