LHC-ATLAS 実験における第三世代粒子 （ボトムクォーク）への崩壊を用い た 超対称性粒子の探索 山中隆志，金谷奈央子 A ，片岡洋介 A ，山本真平 A ， 浅井祥仁 A ，駒宮幸男，小林富雄 A 東京大学大学院，東京大学 ICEPP A 1 日本物理学会 2010 年秋季大会 14aSL-10

目次 1. 物理的背景 2.Data/Monte Carlo Sample 3.Event Selection 4. まとめと展望 2

超対称性粒子の第三世代粒子への崩壊 MSSM などの標準的な超対称性理論において、第三世代粒子の超対称性パートナーは 他の粒子に比べて軽くなりやすい 例） mSUGRA における mass spectrum – 一般的に右巻き粒子は左巻き粒子よりも軽い（ SU(2) のゲージーノの効果を拾わない） – 第三世代粒子の超対称性パートナーは湯川結合の効果大⇒右巻きと左巻きの混合が起こる  第三世代のスカラーフェルミオンが他と比べて軽くなる その結果、第 3 世代粒子の超対称性パートナーを通しての崩壊が enhance される – scalar quark が gluino のより軽ければ direct production や gluino からの 2-body decay – scalar quark が gluino より重くても 3-body decay により第三世代粒子の enhance が可能 超対称性粒子 (SUSY) 的な粒子が発見された場合、第三世代粒子の excess があるかが重 要な証拠 本解析では第三世代粒子の中でもボトムクォークを使う – 最終的に、主要な BG を top quark だけにすることができるため、 BG の理解がしやすく、比較的 clean な環境での解析が 可 能 3 スカラーボトムの質量行列

解析方法 Standard な SUSY Signal の探索＋ b-tagging – SUSY の特徴的な信号は LSP である neutralino による Large Missin ET カスケード崩壊による multi high pT jet lepton あり・なしどちらの解析も可能 – この解析では更に b-jet がある事象を探索する 今回行った解析では、 MissingET + multi-jets (b-jets>=1) をさらに以下のように 分類 – 0-lepton channel – electron channel (at least one electron) – muon channel (at least one muon + electron veto) 4

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使用した Data, Susy Sample ATLAS で 2010 年 3 月 31 日から 8 月 30 日の間に取得された 3.46pb -1 の Data の内、関係する全ての Detector が Ready になっていた 2.94pb -1 を使用 Monte Carlo Sample – SUSY の Benchmark point として、 SU4 と呼ばれる Sample を 使用 cross section : 60pb (NLO) 6 Tevatron での limit を辛うじて超えるぐらいの low mass susy model ←CDF での mSUGRA limit ~g  BR ~b1 b0.430 ~t1 t0.526 ~g~uR~b1~t1~eR~tau1 ~01~01~±1~±1 410GeV411GeV361GeV200GeV213GeV200GeV-61GeV-113GeV

使用した SM BG Sample Standard Model Background – QCD の MC sample は renormalization/factorization scale の不定性が大 きく、 Data を使っての event 数の normalize が必要 – W, Z は NNLO の計算で精度よく cross section が求まっている – Monte Carlo が良く合っていても、ルミノシティや trigger efficiency の不定性が残るため、 Data を使って Normalize すること で、それらをキャンセルすることができる 7 SampleTotal cross sectionGenerator QCD dijets1.06e7 nbPYTHIA W + jets / W+bb31.5 nb / 9.47 pbALPGEN Z + jets / Z(  ll) + bb8.77 nb / 37.6 pbALPGEN ttbar / single top161 pb / 37 diboson7.10 pbALPGEN

QCD Normalization in No Lepton Channel minimum ΔΦ (leading 3jets と Missing ET の間の角 (ΔΦ) の最小値 ) < 0.3 の領域で Normalize QCD event で作られる Missing ET の起源 – 検出器の分解能・不完全な領域による fake – heavy flavor (bb/cc) の semi-leptonic decay  Missing ET は jet の方向 ( または反対方向）を向くことが期待される Susy signal の neutralino や W, Z, top での neutrino による real missing の場合には jet の方向と は無相関 8 ΔΦmin<0.3 Missing ET Cut を pass した event に対して、を プロットすると左図のように ΔΦ min の小さい領域 に QCD BG が集中する ここでは ΔΦmin<0.3 の領域で、 W, Z, top quark の寄与を MC の値を使って引いて、 QCD の normalization を行った normalization factor = 0.68±0.11(stat.) Missing ET significance cut 後の ΔΦmin 分布

QCD, W Normalization in Lepton Channel まずは Missng ET<40GeV かつ MT<50GeV の Control region で QCD を normalize す る – lepton channel では、 QCD event での lepton efficiency も入ってくるため、 0-lepton とは別の normalization factor が必要 W については、 Missing ET>40GeV の後、更に W を enhance するため、 50GeV<MT<100GV の region を使う 9 MET<40GeV 後の MT 分布 MET>40GeV 後の MT 分布 ※ MT(transverse mass) : lepton と Missing ET から計算した transverse 方向の質量 QCD の normalization region W の normalization region

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No Lepton Channel Multi-Jet, Missing ET Cut 11 MetSig>5 3 jets cut 後の MET significance 分布 QCD の normalization あり 3 jets 以上を要求して、 SM BG を落とし、 Susy Signal が enhance される 領域を使う (pT>80, 50, 50 GeV) Missing Et の Significance （ =missET/sqrt(EtSum)) でカットする

B-Tagging 最後に b-tagging により b-jet が 1 本以上あることを要求する – b quark が中間子をつくって比較的長寿命（～ 1ps ）なことを利用して tag する SV0 : Secondary Vertex Finder – Jet に associate した track から vertex を再構築 – primary vertex との符号付き距離 (L) を距離の測定誤差 (σ) で割った L/σ = significance を用いる 12 b-jet efficiency=50%, light jet rejection=200 low pT の jet trigger 後の SV0 の分布 真の secondary vertex の場合、符号付き距離は正に出 る SV0>6 で cut secondary vertex reconstruction 模式図

Systematic Error Jet Energy Scale (JES) Uncertainty – jet の energy scale は detector での生の測定値に dead material やカロリメーターに energy を落とさずに逃げた粒 子などの補正をかけて得られる – この energy scale に関する不定性が 6-10% ほどあり、大きな systematic error となっている Luminosity Uncertainty – 積分ルミノシティの不定性が 11% Trigger Efficiency – Data と Monte Carlo での Trigger efficiency の違い – 現在のところ、他の Systematic error と比べると negligible B-tagging Uncertainty – SV0 による b-jet selection の不定性 – まだ正しく見積もられた不定性はないが、 conservative には下記の値が見積もられている 15% for the b-tagging efficiency 30% for the c-tagging efficiency 100% for the light tagging efficiency 13 CenterStat.+JES-JEStrig. eff.Lumi.b-tag upb-tag down Data 72.6 SM BG SU lepton channel での誤差評価

CutFlow 最終的に残った Data が 7 events に対して、 SM BG の 8.9 events, SU4 が 12.3 events 期待される – SU4 があるとしたときの、 χ 2 = {7-( )} 2 /( ) = 5.24  99.4% confidence level で棄却 14 cutDataSM BGSU4 jet pT>80,50,50GeV ± ± 1229(stat.)58.5 MetSig>576 ± 984 ± 6.6(stat.)29 minΔφ>0.313 ± ± 3.2(stat.)24 b-tagged jet>=17 ± ±3.1(stat.) +2.0/-4.0(sys.)12.3±0.2(stat.) +0.4/-2.3(sys.) cutQCDW+jetsZ+jetsTTbar+single top jet pT>80,50,50GeV MetSig> minΔφ> b-tagged jet>= pb -1 SM BG の内訳

Event Display 最後の cut まで残った event の一つ 15 Run no Event no Lumi Block216 MET (Et[GeV], Phi[rad], SumEt[GeV]) MET_Topo (109.0, , 452.0) Jet (Pt[GeV], Eta, Phi[rad], E[GeV], SV0, Dphi[rad]) 1st (131.4, 1.086, 2.909, 217.5, 0, 2.998), 2nd (105.5, 1.316, 2.153, 211.3, 0, 2.241), 3rd (56.4, , , 57.4, 15.1, 0.450), 4th (50.6, 0.096, , 51.1, 0, 0.6, --) 5th (49.1, 0.699, , 61.8, 0, --), 6th (43.2, , , 53.1, 3.73, --) minDphi [rad]0.450 ST0.255 Meff [GeV]453 MetSig [√GeV]5.13 Missing ET leading jet b-tagged jet leading jet Msing ET は gap に入った jet の反対方向 jet の mis-measurement Missing ET は比較的高い b-tagging weight を持った 6th leading jet と同じ方 向でもある b-jet での real missing QCD bbar dijets + jets / ttbar semi- leptonic decay

Electron Channel QCD, W の Normalization は p.7 の方法で行った Missing ET>40GeV の後に、 W, Z を落とすため、 MT>100GeV でカットした後、 b-jet を 1 本以上要求する 16 2jets cut 後の Missing ET 分布 MET>40GeV cutDataSM BGSU4 jet pT>30,30GeV5027 ± Missing ET>40GeV210 ± MT>100GeV77 ± b-tagged jet>=19 ± 311.3±1.0(stat.) +3.0/-6.2(sys.)2.8±0.1(stat.)+0.3/-0.8(sys.) 2.94 pb -1 Missing ET cut 後の MT 分布 MT>100GeV

Muon Channel Electron channel と同様の cut をかける 17 cutDataSM BGSU4 jet pT>30,30GeV894 ± Missing ET>40GeV144 ± MT>100GeV44 ± bjet (SV0>6)4± 25.9±0.1(stat.) +0.8/-2.7(sys.)1.8±0.07(stat.) +0.2/-0.5(sys.) 2.21 pb -1 2jets cut 後の Missing ET 分布 MET>40GeV Missing ET cut 後の MT 分布 MT>100GeV

まとめと展望 第三世代粒子を含む超体性粒子の探索は標準的な超対称粒子探索と 並んで、発見が期待できるトポロジー – 第三世代粒子の enhance があることが超対称性理論の検証にもなる LHC-ATLAS で取得された 3pb -1 の Data を用いて解析を行い、最初の Susy Bench Mark Point(SU4) が exclude できた 今年中に到達できそうな積分ルミノシティ～ 50pb -1 – 今回の解析では Data 量が少ないため、 Monte Carlo Simulation の分 布は信頼して、 cross section だけを Normalize する方法を取った – 50pb -1 のデータがあれば、データのみを用いた Background Estimation が可能 – Tevatron のリミットを大きく超える Susy model が検出できる 18

Backup 19

SUSY Benchmark Point これまでの実験の Limit を辛うじて超える程度の Low mass Susy model の bench mark point として以下の mSUGRA parameter が最初の target （ SU4 と呼ばれている） Mass spectrum – Lightest Susy Particle (LSP): neutralino 61GeV Susy particle production Branching ratio to b-quark – top quark への decay を含めると gluino はほとんど終状態に b quark を持つ 20 m0m0 m 1/2 A0A0 tan  sign(  ) 200GeV160GeV-400GeV10+ ~g~uR~b1~t1~eR~tau1 ~01~01~±1~±1 410GeV411GeV361GeV200GeV213GeV200GeV-61GeV-113GeV ~light~t,~b~g ~~ ~light0.064 ~t,~b ~g ~~ ~g  BR ~b1 b0.430 ~t1 t0.526

B-Tagging 21 b-tagging の efficiency-rejection 曲線 (Monte Carlo SImulation)

Estimated Error for Final Number of Events 0-lepton channel Electron channel Muon channel 22 CenterStat.+JES-JEStrig. eff.Lumi.b-tag upb-tag down Data 72.6 SM BG SU CenterStat.+JES-JEStrig. eff.Lumi.b-tag upb-tag down Data 93 SM BG SU CenterStat.+JES-JEStrig. eff.Lumi.b-tag upb-tag down Data42 SM BG SU

No Lepton Channel で残った Events 最後の cut まで残った event の MET Significance 分布 – SM BG の分布と consistent 予測される主な SM BG は、 – QCD bbar di-jets + jets ～ 5events – semi-leptonic decay of ttbar ～ 3events 23 Missing ET [GeV]leading jet pT[GeV]N jets (pT>30GeV)highest b-tagged jet pT[GeV] N b-tagged jets (pT>30GeV)

Missing ET 分布 in Lepton Channel Electron/Muon Channel で最終カット後の Missing ET 分布 – 低い Missing ET 側にのみ events が残っており、 SM BG に consistent 24

Large MT Event in Muon Channel Muon channel で MT が大きい (>200GeV)event を見てみると 、 typical には di-muons + missing ET – 現在使っている Missing ET は EM scale の calorimeter base – muon term は offline で足す – Z/  *   なら無いはずの missing ET が残る 25 muon missing ET=75GeV pT=244GeV pT=35GeV MT=270GeV