[论文解读] Strategy for early SUSY searches at ATLAS

Shimpei Yamamoto|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于数据的策略，用于利用LHC的首份1 fb⁻¹数据在ATLAS实验中开展早期超对称（SUSY）搜索，重点针对多喷注 + 大量缺失横向能量（E_T^miss）的末态。该策略引入了先进的标准模型（SM）背景估计技术，特别是QCD多喷注和W/Z+ jets过程，采用原位校准与横向质量（M_T）方法，结果与蒙特卡罗预测高度一致，实现了对胶微子和 squark 质量高达1 TeV的探测潜力。

ABSTRACT

The CERN Large Hadron Collider (LHC) is scheduled to commence operation in 2008 and inclusive searches for supersymmetry (SUSY) will be one of our primary tasks in the first days of LHC operation. It is certain that the final state of multijets + missing transverse energy will provide a superior performance in SUSY searches. Strategies to understand the instrumental background and to understand the Standard Model (SM) background are still under development and are urgent issues for the coming data. We describe the strategy for early SUSY searches at the ATLAS experiment using the fist data corresponding to an integrated luminosity up to 1fb^-1, which comprises much progress in the data-driven technique for the SM background estimations.

研究动机与目标

• 开发一种稳健、模型无关的策略，利用LHC首年数据在ATLAS中开展早期超对称（SUSY）搜索。
• 解决准确估计标准模型（SM）背景（尤其是QCD多喷注和顶夸克过程）这一关键挑战，这些背景可能掩盖SUSY信号。
• 实施数据驱动技术以校准缺失横向能量（E_T^miss），减少对蒙特卡罗模拟在背景估计中的依赖。
• 通过包含多喷注 + E_T^miss末态，实现对胶微子和squark质量高达1 TeV的探测灵敏度。
• 通过与蒙特卡罗预测对比验证背景估计方法，并识别控制区域中潜在的信号污染，确保可靠的发现能力。

提出的方法

• 采用包含多喷注 + 大量E_T^miss的末态作为SUSY的模型无关信号，利用强子过程产生的胶微子和squark的高截面截面优势。
• 应用运动学选择条件：N_jet ≥ 4，p_T^J1 > 100 GeV/c，p_T^J4 > 50 GeV/c，S_T > 0.2，E_T^miss > 100 GeV，以及E_T^miss > 0.2 × M_eff，其中M_eff = Σ p_T^jet + E_T^miss。
• 对于单轻子末态，要求孤立轻子满足p_T > 20 GeV且M_T > 100 GeV，以增强对顶夸克和W+jets背景的敏感度。
• 采用数据驱动的喷注能量涨落函数R = 1 − (p_T^jet · (p_T^jet + E_T^miss)) / |p_T^jet + E_T^miss|²来估计QCD多喷注背景，该函数基于E_T^miss > 60 GeV且Δφ(E_T^miss, jet) < 0.1的事件推导得出。
• 采用横向质量（M_T）区分方法：通过比较M_T < 100 GeV（控制区域）与M_T ≥ 100 GeV区域的事件计数，对SM背景产率进行归一化，从而最小化对E_T^miss校准的依赖。
• 通过将数据驱动预测与蒙特卡罗模拟对比，验证背景估计，尤其在M_eff > 800 GeV区域，结果显示预测值为22.0 ± 0.9 vs. 24.8 ± 1.6事件，符合良好。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在仅使用1 fb⁻¹数据且模型依赖性最低的前提下，实现ATLAS早期SUSY搜索的高灵敏度？
• RQ2 哪些数据驱动技术可用于准确估计主要SM背景（尤其是QCD多喷注和W/Z+jets）而不依赖蒙特卡罗模拟？
• RQ3 在E_T^miss主导的末态中，横向质量（M_T）方法在背景归一化和系统误差减少方面能发挥多大作用？
• RQ4 在mSUGRA模型中，利用1 fb⁻¹数据和包含多喷注 + E_T^miss末态，对胶微子和squark质量的预期发现能力如何？
• RQ5 背景控制区域中的信号污染如何影响背景归一化？可采用哪些方法减少此类偏差？

主要发现

• 基于喷注能量涨落建模的数据驱动QCD多喷注背景估计方法，能对E_T^miss分布，特别是在高尾部区域，做出合理描述。
• M_T区分方法得到的背景预测为M_eff > 800 GeV时为22.0 ± 0.9事件，与蒙特卡罗预测的24.8 ± 1.6事件高度一致。
• 尽管预测结果一致，但由于M_T < 100 GeV控制区域中可能存在信号污染，SM背景估计仍存在约2倍的潜在高估，凸显了进一步优化的必要性。
• 该策略在使用1 fb⁻¹积分亮度的mSUGRA模型中，实现了对胶微子和squark质量高达1 TeV的探测潜力。
• 该方法实现了E_T^miss的可靠原位校准，减少了对模拟的依赖，使其在早期LHC数据分析中具备鲁棒性。
• 该方法在多种SUSY场景中（包括mSUGRA、AMSB、GMSB和split SUSY）均表现有效，展示了其在早期发现中的广泛适用性。