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 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
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 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

3 内容 概要 for 3 cases { } まとめ 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 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

4 ＳＵＳＹシナリオにおける長寿命粒子 l l + G GMSB AMSB Split-SUSY, glavitino LSP
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 c ~ 1 g + G (Nmes = 1) l ~ l + G (Nmes > 1) 1 c ~ + - c ~ 1 Phys.Rept,438 (2007)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 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

5 イベントトポロジー別分類 (B) (A) (C) 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) 電荷無 non-pointing photons 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 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

6 ATLAS full 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 March 29, 2008 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
（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 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

8 (A.1) 重粒子のATLAS内での振舞い（相互作用）
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) 核力相互作用はR-hadronsのみ g ~ u d - u d g ~ Geant4 ATLAS Prelim. 300 GeV/c2 gluino in iron R-hadron Energy (GeV) Energy loss per int. (GeV) March 29, 2008 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 March 29, 2008 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no TR 少HT m Rg 300GeV/c2 ~ ATLAS Prelim. h=1.0 107cm 56cm R-hadronの場合 sleptonでも同様に見える March 29, 2008 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 bg=0.1 1 10 100 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

12 event display その１ gluino R-hadronの場合 slepton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 March 29, 2008 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 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

14 (A.2) トリガー＆再構成率 Slepton R-hadron
（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 menu Efficiency mu40 muon pT>40GeV 95% xe200 missing ET>200GeV 63% em25i Isolated EM cluster E>25GeV 46% Level-2 trig Reconstruction R-gluino 20-30% 10-15% 300GeV-2TeVにおける値 R-stop March 29, 2008 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 generated b measured b inclusive muon 500pb-1 GMSB slepton (m=100GeV) L2 mass [GeV] March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

16 (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 1.0* 0.8* 0.6* 0.4*
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 Reconstruction efficiency mass resolution 0.4* 0.6* 0.8* 1.0* Efficiency b *b仮定 mslepton=100GeV mass resolution s~3.9% s~10% If upper b cut=0.7 M=100+/-4.3GeV ATLAS Prelim. upper b cut 測定質量 [GeV] March 29, 2008 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 TRT #HT/#LT dR (w.r.t. Jet) 1.3TeV 1.6TeV Stop R 2.0TeV Gluino R P(ID)/P(MU) P(ID)/P(MU) March 29, 2008 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
（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 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

19 (B.1) kink, 消失トラック TRTが鍵になる
崩壊長　(cm) 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 March 29, 2008 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 ~ c 回っているelectron ~ c
1 c ~ + - 回っているelectron c ~ 1 (実際は見えない) March 29, 2008 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 % 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 １層目 ２層目 ３層目 レイヤー数 19 24 30 平均hit数 ~5 ~10 ~15 noise particle hits March 29, 2008 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TRT hit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 March 29, 2008 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 （1056mm expected もっと統計必要） 23 March 29, 2008 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
March 29, 2008 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) EM Cal Barrel End-cap Front layer 0.003 x 0.1 0.00{3,6} x0.1 Middle layer 0.025 x 0.025 r EM shower  60 GeV EM shower  60 GeV Middle Front G ~ c ~ pointing non-pointing March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

26 event display その3 c ~ 1 March 29, 2008 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（2g menu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) March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

28 (C.3) non-pointing光子再構成、g-ＩＤ
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) March 29, 2008 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（？） March 29, 2008 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 original T optimized ID standard ID 3.17ns 3.0+/-0.2 ns 1.33+/-0.05 10.7ns (19+/-19 ns) 2.9+/-0.6 March 29, 2008 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 March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

32 BACKUP SLIDES March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

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

34 Photon ID variables March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

35 (A) trigger for slow heavy particles (slepton, R-hadron)
GMSB Slepton M=100GeV The fate of the hadron-collider exp. 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 pT threshold Luminosity 20GeV Low (1033cm-2/s-1) 40GeV High (1034cm-2/s-1) rate estimates are on-going discussion, menu not fixed yet b spectrum GMSB Slepton M=100GeV number of Muon trigger candidates (b, acceptance) March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）

36 March 29, 2008 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 menu condition 2g20i 2 isolated photons pT>20GeV g60 1 photon pT>60GeV G ~ jet g missing G ~ ATLAS Prelim. trigger (EF) efficiency w.r.t. non-point MC photon (leading pT>60GeV) m missing g CAL ID jet jet e dh = h(point) – h(geom) March 29, 2008 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” Efficiency decay vertex distance from IP(0,0,0) 1m 2m Rec+ID Rec ATLAS Prelim. Barrel Only Incident angle dependence Efficiency Rec+ID Rec dh = h(point) – h(geom) ATLAS Prelim. resol. < 0.002 dh (Rec -- Truth) ATLAS Prelim. dh = h(point) – h(geom) March 29, 2008 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 G ~ c ~ beam axis z’ ATLAS Prelim. MC pT>60GeV Reconstruction Barrel only ATLAS Prelim. std. IDs (tight/loose) recovery of ID-efficiency (removing h width cut on 2nd layer) Z’ distribution (cm) March 29, 2008 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 March 29, 2008 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 reconstruction (b=1 assumed) ID loose (fit c2/ndof < 5 maching c2<20) ID tight (fit c2/ndof<2 matching c2<10) ATLAS Prelim. efficiency hep-ph/ mt =100.1GeV ATLAS Prelim. m = pmeas/bgmeas 5% 15% offline b reconstruction bmeas March 29, 2008 陣内修（ＫＥＫ）