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long-lived exotic particle を含む ＳＵＳＹの探索

long-lived exotic particle を含む ＳＵＳＹの探索. 陣内　修　 (KEK) 研究会「 LHC が切り拓く新しい素粒子物理学」 2008 年 3 月 28-29 日. イントロダクション. 長（超？）寿命粒子は数多くのＳＵＳＹモデルに登場する この様な粒子の発見は、いくつもの重要な素粒子問題に対しての解もしくはヒントを与える 暗黒物質問題、階層問題 、 Extra dimension flavor question, charge quantization, etc その存在、 property が与える物理的インパクトは重要、そこでまず

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long-lived exotic particle を含む ＳＵＳＹの探索

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  1. long-lived exotic particleを含むＳＵＳＹの探索 陣内　修　(KEK) 研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」 2008年3月28-29日

  2. イントロダクション • 長（超？）寿命粒子は数多くのＳＵＳＹモデルに登場する • この様な粒子の発見は、いくつもの重要な素粒子問題に対しての解もしくはヒントを与える • 暗黒物質問題、階層問題、Extra dimension • flavor question, charge quantization, etc • その存在、propertyが与える物理的インパクトは重要、そこでまず ＬＨＣで長寿命粒子が生成されたとして、我々（ＡＴＬＡＳ）がそれらを • どのくらいの精度で捕らえることが出来るか • バックグランドはどの程度に抑えられるか を知っておきたい • 特定の現象論モデルに依存しない、一般的な測定手法の確立 ここでは長寿命粒子探索という視点からＡＴＬＡＳの検出器性能を見てみること、そして今の時点で 分かっている測定精度などについて言及する 陣内修（ＫＥＫ）

  3. 内容 概要 for 3 cases { • 長寿命粒子探索に有効な検出器群 • トリガーに関して • 長寿命粒子の再構成・測定について 何が出来たか、まだやってないこと } まとめ 陣内修（ＫＥＫ）

  4. ＳＵＳＹシナリオにおける長寿命粒子 ＳＵＳＹだけでなく数多くのモデルが存在している ＳＵＳＹの中だけでも多岐に渡る GMSB NLSP が重力だけでLSPに崩壊、カップリングが弱いのでt長寿命になりえる • Non-pointingフォトン（飛跡検出器内で崩壊） • スレプトンすっぽ抜け, kinkトラック AMSB と　　　の質量が縮退、charginoが長寿命 (飛跡検出器内で崩壊: 消失トラック、kinkトラック) Split-SUSY, glavitino LSP 安定したハドロン様な複合粒子(R-hardon)を形成する 重粒子が検出器と核力相互作用をする ~ ~ (Nmes = 1) l+ G g+ G ~ l (Nmes > 1) Phys.Rept,438 (2007)1. ~ + - - ~ ~ c 0 0 c c 1 1 1 ~ ~ ~ ~ ~ R=gqq, gqqq, gg, tq, tqq, etc これら様々なイベントのトポロジー、特徴のある信号をＡＴＬＡＳの検出器群で捕らえたい 陣内修（ＫＥＫ）

  5. イベントトポロジー別分類 現象論モデルによらずに、イベントの特徴で分類する （1）　崩壊長 (w.r.t. 検出器のスケール） （2）　チャージ (Electric? color? magnetic?) 検出器反応の違い （＊）　SUSYを前提、non RPV ペアで作られる（イベント当りN≤2） 1) cascade decay productsを伴う(SUSY一般) 2) direct production (R-hadron) • (A) Sleptons, R-hadrons • (遅い重粒子) • Ionization energy loss • 核力相互作用(R-hadron case) • muon検出器による (TOF) 遅延測定 • (B) chargino (or slepton) • トラックにキンク、途中で消える • (C) 長寿命neutralino • (non-pointing フォトン) • 崩壊点が内部検出器内の場合 heavy slow particles 電荷有 kink or disappearing track (B) (A) non-pointing photons 電荷無 mSugra like (C) 検出器の性能に大きく左右される、Geant4を使った検出器のfullシミュレーションが不可欠 陣内修（ＫＥＫ）

  6. ATLASfull simulationへの組み込み • 長寿命粒子、SUSY粒子の検出器との相互作用は特別な検出器シミュレーションpackageを用いている • これらはATLAS標準のsimulationにはなかった機能で、1年ほど前から使われ始めている (1) slepton, gaugino 用 着目しているＳＵＳＹ粒子（最終段など）の質量、スピン、崩壊モード、寿命などを指定することが出来る。相互作用の種類も選べる single particle gun, 物理イベントどちらにもinterfaceする 　　　物理イベントの場合はEvent Generationと無矛盾な値を選ぶ必要有 (2) R-hadrons 用 R-hadron interactionモデル dE/dx, interaction cross section charge flippingの効果も入る ここで紹介する結果は基本的にはこのパッケージを使用している 陣内修（ＫＥＫ）

  7. （Ａ） 崩壊長が検出器よりも十分長く 粒子が（電、色）荷を持つ場合 陣内修（ＫＥＫ）

  8. (A.1) 重粒子のATLAS内での振舞い（相互作用） 核力相互作用はR-hadronsのみ 電磁相互作用 (Slepton, chargino, R-hadron) • Ionization loss が主な寄与 Bethe-Bloch (低いbでは~1/b2, b~1ではほぼMIP状態) 核力相互作用 (R-hadron) • gluino,stop は運動量の運び屋かつ、傍観者 • p/r/K/p/n が低エネルギdeposit = ~1GeV x 10-15回分 • 電荷の反転 (平均~12回,gluino R-hadronの場合のみ) ATLAS Prelim. ~ g ~ g - u u u d d Energy loss per int. (GeV) Geant4 300 GeV/c2 gluino in iron R-hadron Energy (GeV) 陣内修（ＫＥＫ）

  9. (A.1) 重粒子のATLAS内での振舞い(Muon検出器) • 遅い重粒子はhigh-pT muonのように見える • muonシステムの“巨大さ”を生かしてTOF(b)測定をする • 2ndレベルトリガー段階ですでに RPC(Barrel)を使って3.125nsの時間分解能 • オフラインでは, より複雑な計算をする。 MDT(Barrel + EndCap)を使って~0.7nsの時間分解能 • 通常Muon recon.アルゴリズムはb=1（muon）を仮定 　　ドリフトのスタートt0は各drift tubeで固定 • trackフィットc2が良くなるように t0をoptimizeすれば bが分かる bが十分小さければmuonと区別出来る MDT drift time optimization 陣内修（ＫＥＫ）

  10. (A.1) 重粒子のATLAS内での振舞い(ＩＤ) • 内部飛跡検出器（ＩＤ） • （前頁）b~1ではTOFではmuonと区別出来ない • TRT (transition radiation tracker) 73層ガスストローチューブ(平均36ヒット/track) • low threshold: -- Ionization loss  track • high threshold: -- TR  π/e 識別に利用 ＴＲＴを使えば粒子識別出来る • low-Ptの端 (lowb)Ionizationが非常に高い 多HT • Higt-Ptの端 muonsと異なりnoTR 少HT h=1.0 107cm m ATLAS Prelim. 56cm R-hadronの場合 sleptonでも同様に見える Rg 300GeV/c2 ~ 陣内修（ＫＥＫ）

  11. (A.1) 重粒子のATLAS内での振舞い（カロリメータ） • 今のところカロリメータを利用した方法は試していない • 非常にbが低くない限りmuonと似た反応 (bethe-blochに従うのみ) • (R-hadronの場合) 核力相互作用エネルギの落とし方が毎回ふらつく、分解能が悪くなる 有効な方法がない • b<0.5の研究はまだ（ほとんど） 　　行われていない calorimeter energy deposit energy deposit「ＧｅＶ］ slepton muon 100 1 10 bg=0.1 陣内修（ＫＥＫ）

  12. event display その１ gluino R-hadronの場合 High-pT trackが1本 逆サイドには何もなし muonシステムにはback-to-backの信号 sleptonの場合 muonとしてreconstructされている 陣内修（ＫＥＫ）

  13. (A.2) 遅い重粒子の一般的なトリガー問題 • ATLASの様な巨大検出器はTOF 測定にアドバンテージがある • 一方タイミングの問題がある　LHC BC (=25ns) [ LEP(25ms), Tevatron(396ns), HERA(96ns) ] • b > 0.5 だけが同じＢＣでトリガーされる 25ns Severer constraint for EndCap Atlas level-1 muon trigger system RPC (Barrel subsystem) and TGC (Endcap subsystem) RPC r = 6.8, 7.5 and 10m TGC z = 12.9, 14, 14.5m 陣内修（ＫＥＫ）

  14. (A.2) トリガー＆再構成率 • Slepton • （ＧＭＳＢを仮定）Cascade崩壊から出る他のobjectもトリガーに寄与 • 100GeV slepton NLSP (GMSB L=30TeV, Mm=250TeV)に対して • R-hadron • 約55%（40%）のR-gluino (R-stop)がゼロ電荷 • mu6 menu (muon pT>6GeV) • b＞0.6を要求 • charge flippingによりR-gluinoがEvent Filter(LvL3 trigger)時に落ちる 陣内修（ＫＥＫ）

  15. (A.2) sleptonのトリガー • muonメニューを使う場合、メインバックグランドはinclusive muons • LVL2 トリガーの段階でRPC TOF(3.1ns分解能)を使ってb(=v/c)測定 • LVL2 トリガーの段階で(b, pT, h)を使って質量再構成が可能 • これを用いて“sleptonらしい”イベントを捕まえるトリガーメニューを作っている（これは標準muonメニューに内包されるが、early data解析の効率をあげることが出来る） pT>40GeV, b<0.97, m>40GeV < 0.2Hz at 1033cm-2s-1 500pb-1 inclusive muon measured b GMSB slepton (m=100GeV) generated b L2 mass [GeV] 陣内修（ＫＥＫ）

  16. ICEPP野本君のワーク 昨年秋学会　21aZE-6 (A.3) sleptonsの再構成 • muonのofflineソフトウェアを使って再構成する • 0.5<b<0.8のsleptonに対してはbを仮定して、再構成を改善可 • event by eventのb fitがＡＴＬＡＳの標準Muon 再構成パッケージに組み込めることが分かった（がまだやっていない）。 • 次（or前）のbunchを使えるようにするかどうかの議論はまだ結論が出ていない mass resolution Reconstruction efficiency mslepton=100GeV 1.0* *b仮定 0.8* 0.6* Efficiency s~3.9% s~10% mass resolution If upper b cut=0.7 M=100+/-4.3GeV 0.4* ATLAS Prelim. upper b cut 測定質量 [GeV] b 陣内修（ＫＥＫ）

  17. (A.3) R-hadron イベントセレクション • jet(pT>100GeV)がdR<0.36にいないhard muon (pT>250GeV)が候補 更に以下のいずれかを満たす (1) 少なくとも1本hard muonトラックが、対応する内部検出器(ID)トラックを持たない (2) イベントがback-to-backのID-trackを持ち、そのTRTヒットがHT/LT<0.05 (3) イベントがback-to-backの同符号muonトラックをもつ (4) イベントがhard muonトラックを持ち、そのＩＤトラックが逆電荷 (3)(4)はR-gluinoのみ 質量1TeV付近までは発見が開けている 1TeV 1.3TeV TRT #HT/#LT dR (w.r.t. Jet) 1.6TeV 2.0TeV Stop R Gluino R P(ID)/P(MU) P(ID)/P(MU) 陣内修（ＫＥＫ）

  18. （Ｂ） 崩壊長が検出器のサイズ程度 トラックを作る粒子が途中で崩壊する場合 陣内修（ＫＥＫ）

  19. TRT 崩壊長　(cm) (B.1) kink, 消失トラック • AMSBでcharginoとneutralinoのmassが縮退している場合、崩壊後のpiまたはeが十分soft • trackのキンク、消失がTRT内で起こることが 　　十分期待される確認出来れば直接寿命測定が出来る。 (?) その様な特殊なトラックを再構成出来るか 　　どのくらいの崩壊長、pTの範囲で (?) 運動量測定への影響は (?) ノイズヒット、イベント中の他のトラックの影響 　　（バックグランド） TRTが鍵になる 107cm 56cm ICEPP東君のワーク 学会発表26aZE-6 陣内修（ＫＥＫ）

  20. event display その２ 消失トラック TRT基本的にノイズhitが多い 回っているelectron (実際は見えない) ~ + - - ~ c 0 c 1 1 陣内修（ＫＥＫ）

  21. (B.1) 消失トラック再構成（ノイズhitの影響） • ここではsingle particle（full simulation）を使ったＳｔｕｄｙ • TRTのhitを意図的に（部分的/全体）除去しても再構成はほぼ100%  Trackの再構成はSi(pixel+SCT) だけで出来る • slepton (charginoでもよい)とノイズがＴＲＴ3層目に残すヒット数をみる • ランダムノイズ率: a few % noise particle hits ずらさなかった場合の 3層目のhit数 消失トラックはノイズと十分に識別出来る 陣内修（ＫＥＫ）

  22. (B.3) 消失トラック再構成（他粒子の影響） • 物理イベント中の他の粒子の影響 • Zμμイベント中のmuon, pT>20GeV, |h|<0.63を見る • ノイズhit + 他の粒子が作ったTRThitに対する安定性 • もっと混み入ったイベントでも確認が必要だが、大丈夫そう 若干Nhit>5が増える アクシデンタルがあっても、消失トラックには 影響しない DY Z→μμ 陣内修（ＫＥＫ）

  23. (B.3) 消失トラック寿命測定 • 更にsingle charginoサンプルでTRT hit数と崩壊位置の相関を見てみる • pionへの崩壊、electronへの崩壊（共に寿命3nsec）で明確な1次の相関が 見えている直接寿命測定が可能である • AMSB物理イベントを使ったStudyはまだやっていない • SCTまで含めたstudy（<50cm）はこれから • 寿命長に対する安定性も調べる • kinkであった場合についても調べる 崩壊長=719+/-216 mm （1056mmexpected もっと統計必要） 23 陣内修（ＫＥＫ）

  24. （C） 崩壊長が検出器のサイズ程度 non-pointingフォトンを出す場合 陣内修（ＫＥＫ）

  25. (C.1) non-pointing光子の測定 • ATLASの電磁カロリメータは入射光子のhを pointing geometryで決める（hg ） • h方向のgranularityは非常に細いので non-pointing光子の方向にsensitive • (逆にf の入射角には鈍感） • Trigger, 再構成、IDなどの面で効率が悪くなることが予想される。 • 評価、改善が可能か、寿命測定方法 granularity (Dh x Df) r EM shower  60 GeV EM shower  60 GeV Middle Front ~ G ~ c 0 pointing non-pointing 陣内修（ＫＥＫ）

  26. event display その3 ~ 0 c 1 陣内修（ＫＥＫ）

  27. (C.2) non-pointing光子イベントのtrigger • GMSBモデルならば一般的なSUSYのメニュー（Jet, MissingET）でかかる • 寿命の長さに依らずに安定して使える（しかしモデル依存になる） • photon自身も使いたい Photon menu • L1 -- 検出器アクセプタンスの違い（2gmenuは特に） • Higher LVL -- シャワーの形で更に落ちる Jet, MissingET menu • ほぼ影響を受けない • 若干の違いはphoton数の違いによる photon menu jet, mEt menu pointing (ct = 1.1mm) non-pointing (ct = 3.2m) 陣内修（ＫＥＫ）

  28. (C.3) non-pointing光子再構成、g-ＩＤ • 再構成 • 今のところnon-pointing用のoptimizeは されていない • Dh = 0 で約95%、Dh=0.5で約75% • g-ID • ATLASの標準カットは電磁シャワーの形、ハドロンへのリークなどの～10程度のパラメータで行う。 • 斜めg入射はシャワーを広げる為、効率落ちる • 崩壊点に依存するパラメータ(X)と、依存しないもの(○)がある 寿命に依らずに一致 ●ct =1.0m ○ct =3.2m Dh = h検出器 - hMC 注）ここではConversionは まだ考慮していない neutralino decay length in Z(mm) neutralino decay length in Z(mm) 陣内修（ＫＥＫ）

  29. (C.3) non-pointingに合わせたg-ＩＤ • 崩壊点依存のcutパラメータ(5/10)は外す • gとしてFake ID されるJetのrejection Standard ID ct=1.1mm ct=1.0m ct=3.2m Optimized ID ct依存性が軽減 ~4倍程悪くなる 注）値はpre-filterされたサンプルに対するもの。e=0.082 元々 BGは少ないので4倍程度は大丈夫（？） 陣内修（ＫＥＫ）

  30. (C.3) neutralinoの寿命測定 • シンプルな（robustと思われる）方法を試す （１）Z’ 分布測定 • pointingの平面とビーム軸との交点の 　 分布から平均寿命に焼きなおす  MCに頼りすぎる（暗礁）  現在のところ崩壊はID内に限定 （２）Calorimeterタイミング • EMクラスターの時間情報を用いる • neutralinoのbに対する不定性は残るが、オリジナルに近い寿命値が得られる 平均寿命によらない きれいな相関が見られる 陣内修（ＫＥＫ）

  31. まとめ • 長寿命(SUSY)粒子の研究は現実味を帯びてきた！ • ATLASには“長寿命もの”の様々なケースに対応できる優れた検出器群が備わっている • 現在そういったexoticな粒子をフル・シミュレーションで扱えるようになった（比較的簡単に） • 基礎的なアイデアの確認などは始まったが、もっと詳細な研究はまだまだこれから • パラメータは数点しかやってない→系統立ててもっと広範囲に • 物理イベントを使ってよりリアルな状況で • バックグランド、Ｆａｋｅの研究が必要 • 検出効率の低下などは、新たな再構成アルゴリズムなどの開発も必要 • 見てない領域（例えばb<0.5など）をどうするか • などなど 陣内修（ＫＥＫ）

  32. BACKUP SLIDES 陣内修（ＫＥＫ）

  33. Physics model for R-hadrons • Quark system interacts • Gluino is ”just” a reservoir of kinetic energy • Interactions are thought to be pomeron / reggeon mediated: Interactions of Figure: A.C. Kraan

  34. Photon ID variables 陣内修（ＫＥＫ）

  35. (A) trigger for slow heavy particles (slepton, R-hadron) The fate of the hadron-colliderexp. Data cannot be analyzed unless it is triggered ! • Heavy penetrating particles are triggered as muons, generally produced in pairs • inclusive high-pT single muon menu • must reach the last trigger stations in time for coincidence • if faster one triggers in right bunch crossing, the other can be reconstructed in offline GMSB Slepton M=100GeV b spectrum GMSB Slepton M=100GeV number of Muon trigger candidates (b, acceptance) 陣内修（ＫＥＫ）

  36. 陣内修（ＫＥＫ）

  37. (B) trigger for non-pointing photons • event topology much looks like a general SUSY signature • will use ordinary SUSY trigger menu i.e. EtMiss + Jets • feasibility to use the standard photon menu, or its extension is currently under investigation ATLAS Std. photon trigger menu jet g missing ~ ~ ATLAS Prelim. G G trigger (EF) efficiency w.r.t. non-point MC photon (leading pT>60GeV) m missing g ID CAL jet jet e dh = h(point) – h(geom) 陣内修（ＫＥＫ）

  38. (B) Reconstruction of non-pointing photons • global goal of the non-pointing photon is • the ‘observation’ • the ‘decay length’ measurements which directly connects to SUSY scale • efficiency, resolution in terms of “degree of non-pointing” ATLAS Prelim. dh = h(point) – h(geom) Barrel Only Incident angle dependence ATLAS Prelim. Rec resol. < 0.002 Rec dh (Rec -- Truth) Efficiency Efficiency Rec+ID Rec+ID ATLAS Prelim. 1m 2m decay vertex distance from IP(0,0,0) dh = h(point) – h(geom) 陣内修（ＫＥＫ）

  39. (B) Reconstruction of the non-pointing photons • with g only, decay vertex cannot be reconstructed • instead looking at inter section z’ • reconstruction is ok, std photon ID has strong dependence • the work on-going for ‘non-pointing ID’ : save the non-pointing while keep the bkg rejection • usage of LAr timing, photon conversion is a next plan EM shower  60 GeV beam axis 0 z’ ATLAS Prelim. MC pT>60GeV Reconstruction Barrel only ATLAS Prelim. ~ G std. IDs (tight/loose) recovery of ID-efficiency (removing h width cut on 2nd layer) ~ c Z’ distribution (cm) 陣内修（ＫＥＫ）

  40. (A.3) Reconstruction of the R-hadrons Charge flip ID  Muon [charge flipping] • charge flipping reproduces int. models [mass determination] • average b obtained for momentum intervals • from the b vs. p correlation  mass • Mass scale determined to O(5-10%) + initial charge - initial charge ATLAS Prelim. doubly charged ATLAS Prelim. ATLAS Prelim. • mean = 306GeV • = +/- 16GeV • (input: 300GeV) MDT hits>10 |h |<2.5 b 陣内修（ＫＥＫ）

  41. (A.3) Reconstruction of the sleptons • Sleptons are reconstructed as muons • in the current software configuration, lower b (<0.5) lost due to the f info taken from RPC/TGC (using current BC) • inefficiency at 0.5<b<0.8, due to the bad reconstruction c2 from assuming b=1 • development of offline muon software is on-going, b measurement O(5-10%) • the plan to recover the next bunch crossing is on discussions ATLAS Prelim. efficiency reconstruction (b=1 assumed) ID loose (fit c2/ndof < 5 maching c2<20) ID tight (fit c2/ndof<2 matching c2<10) hep-ph/0010081 mt =100.1GeV ATLAS Prelim. m = pmeas/bgmeas 5% 15% offline b reconstruction bmeas 陣内修（ＫＥＫ）

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