[论文解读] Searches for long-lived and highly-ionizing particles at the CMS and ATLAS experiments

Teresa Lenz|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文利用能量损失每单位路径长度（$dE/dx$）作为关键判别因子，在CMS和ATLAS实验中搜索长寿命且高度电离的粒子。通过利用多电荷或类似磁单极子粒子的高$dE/dx$值，研究设定了截面的上限，并排除了特定质量范围内的模型，包括最高达650 GeV的双电荷粒子以及$g_D = 1.0$时最高达1340 GeV的磁单极子。

ABSTRACT

Long-lived particles are contained in a variety of beyond Standard Model theories, including supersymmetric models, universal extra dimensions, or technicolor theories. If the lifetime of such a particle is long enough, the particle can enter - or even pass through - the detector before it decays. Therefore, searches for long-lived particles require a very different search strategy compared to conventional searches for particles beyond the Standard Model. If the new particle is not only weakly interacting, the particle can be reconstructed itself and not only via its decay products. A very specific characteristic of such new heavy charged particles is their large ionization losses when traveling through the detector. This article summarizes searches for long-lived particles at the CMS and ATLAS experiments that exploit the potentially high ionization losses per path length (dE/dx) of the new particle. The presented searches are performed on 8 and/or 13 TeV data. Additionally, an overview of the methodology of dE/dx measurements at the CMS and ATLAS experiments is given.

研究动机与目标

• 搜索标准模型之外的长寿命粒子，其特征为由于电荷大或速度低而导致显著的电离损失。
• 在CMS和ATLAS追踪系统中开发并应用$dE/dx$测量技术，以识别高度电离的粒子。
• 为多电荷粒子和磁单极子等长寿命粒子设定依赖于模型和不依赖于模型的截面上限。
• 在信号预期值较低的区域，利用$dE/dx$和簇集能量展宽改进背景估计，采用数据驱动方法。
• 扩展对传统搜索无法覆盖的新物理场景的敏感度，特别是那些耦合常数被抑制或量子数守恒的场景。

提出的方法

• 在CMS中使用谐波-2估计器 $I_h = \left( \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} (\Delta E_i / \Delta x_i)^{-2} \right)^{-1/2}$，从硅追踪器测量中计算最可能的$dE/dx$值。
• 应用非对称Smirnov-Cramér-von Mises判别器，评估$dE/dx$测量值与最小电离粒子（MIPs）的兼容性，从而有效抑制标准模型背景。
• 在ATLAS中，使用$f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$和$N^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$——过渡辐射追踪器中的高阈值$dE/dx$和事例数——来识别高度电离的轨迹。
• 将$dE/dx$与电磁量能器中的能量展宽$w$结合，以增强信号与背景事件之间的区分能力。
• 使用具有明确$w$和$f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$边界的数据控制区域，基于数据估算信号区域的背景事例数。
• 采用电磁耦合常数被修改的Drell-Yan产生模型来解释结果，并为不同粒子类型和电荷设定截面的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过CMS和ATLAS追踪系统中增强的$dE/dx$效应检测到具有多重电荷的长寿命、高度电离粒子？
• RQ2 $dE/dx$测量在区分标准模型粒子与具有高电离损失的假设长寿命新物理粒子方面效果如何？
• RQ3 在8 TeV和13 TeV下，基于$dE/dx$的搜索对双电荷粒子和磁单极子的灵敏度极限是多少？
• RQ4 基于$w$和$f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$的数据驱动控制区域如何改善低背景、高特征信号区域的背景估计？
• RQ5 基于$dE/dx$的搜索在多大程度上补充了大型强子对撞机上传统的新物理搜索？

主要发现

• 在CMS对长寿命带电粒子的搜索中，双电荷粒子在质量高达650 GeV的范围内被排除。
• 基于8 TeV数据，ATLAS对$g_D = 1.0$的磁单极子搜索排除了自旋为1/2的粒子在1340 GeV以内的质量范围。
• 为磁单极子设定了0.5 fb的模型无关截面上限，适用于选择效率近似恒定的区域。
• $dE/dx$为基础的搜索策略成功预测了信号区域的背景事例数，$z=2$选择为$0.013 \pm 0.002$个事件，$z \geq 3$选择为$0.026 \pm 0.003$个事件，实际观测到的事件数为零。
• CMS中的谐波-2估计器和似然判别器提供了稳健且经过校准的$dE/dx$测量，有效抑制了Landauf分布能量沉积引起的尾部偏差。
• ATLAS中$w$与$f^{\text{HT}}_{\text{TRT}}$的结合有效实现了高度电离信号与标准模型背景的区分，尤其在低动量区域表现优异。