SUSY探索実験
サマリー
実験・理論合同研究会 LHCが切り拓く新しい物理
2009年4月2日＠東京大学
金谷奈央子（東大・ICEPP)

アウトライン◆イントロダクション• LHCにおけるSUSY信号• 事象選択◆ATLAS検出器において期待される結果• 予想されるバックグラウンド• 期待される発見能力＠ATLAS実験◆発見後の解析手法• inclusive測定• exclusive測定◆まとめイントロダクション

SUSY生成＠LHC
LHCは陽子ｰ陽子衝突加速器なのでクォークとグルーオンからｔ−チャンネルを介したカラーをもった超対称性粒子~ ~（ｑ、ｇ）の生成が得意である。

g(x10)ud• 生成断面積はほぼカラー粒子の質量で決定される~ ~• 主な生成過程(mq~mgの場合)• √s’ = √x1x2 14TeV
質量生成断面積
重い粒子を作る時にはｘのアンバランスは 0.5TeV
1００ｐｂ
小さい→中心（η小）に分布
1TeV
３ｐｂ
2TeV
１０ｆｂ

生成過程
~~
gq~~ ~~
qg,qq~~qq

SUSY崩壊
主な崩壊過程は •質量スペクトラム（第三世代）•チャージーノ、ニュートラリーノの成分 などに強く依存する。

これらの崩壊レートがレプトンの有無に寄与

S.AsaiSUSY事象＠LHC
SUSY
Rパリティー保存
LSPmET有り
横方向
エネルギー損失

生成
カラーセクター

崩壊
EWセクター

このトークではマルチジェット（ジェット数≥3）~~ ~~gg,qq生成０レプトン

マルチジェット

１レプトン

mET

ダイジェット（ジェット数~2）~~qq生成≥２レプトン（レプトン）~ジェット無し~~~~
χχ,χq生成RパリティーmET無し

エキゾチック++≥1タウレプトン≥1光子

トポロジーに対するアトラスグループの研究をお話します。

その他のトポロジーについて
はＳＵＳＹサブループ会合にてHeavy charged track
Kink/disappearing track
Non-pointing photon

東さんのトーク（明日午前）

事象選択特に実験初期、発見を確実にするため結果の信頼度をあげることが重要• シンプル（系統誤差を押さえる）• 感度（S/√B）を大きくする ⇒ 鍵となる観測量＝ｍET• ある特定なSUSYのモデルに最適化しないジェット＋ｍＥＴ＋（Ｘ）に対するATLAS’スタンダード’の事象選択
NJET≥ 3
pT1st JET>100GeV, pT3rd JET>50GeV, |η|<2.5
mET>100GeVmET>0.2ｘＭｅｆｆ (Ｍｅｆｆ = Σ|pT|+mET)
sT>0.2 （ｓ→1ほど丸い事象）
横方向エネルギー損失:ｍＥＴ（右図）
mET(x, y) = "# E(x, y) cell " # p(x, y) muon!

レプトンの有無でバックグラウンドの成分が異なる→解析をレプトン数で分類し、それぞれに適したカットを導入（次ページ）。

ｍＥＴ分布

LHCで期待される結果

バックグラウンド 0-lepton modeY.Kataoka“０レプトンモード”事象選択NJET≥ 3
pT1st JET>100GeV, pT3rd JET>50GeV
mET>100GeVmET>0.2Meff (Meff = Σ|pT|+mET)
Δφ (mET-jet)>0.2 for leading three jets
ｓＴ＞0.2
Ｍｅｆｆ分布（０レプトン）
MSUSY~650GeV(18pb)

フェイクｍETを伴った不定性の大きいQCD
バックグラウンドを落とすのに有効

MCシミュレーションにより予想されるSM
バックグランドのＭｅｆｆ分布（左）と内訳（下）Ｍｅｆｆの高いところ
ではQCD以外ほぼ同等の寄与

tt
W+njetZ+njet
QCD

４９％
２４％
１６％
１１％
詳細は次の片岡さんのトークバックグラウンド 1-lepton mode
“１レプトンモード”事象選択NJET≥ 3
pT1st JET>100GeV, pT3rd JET>50GeV
mET>100GeVmET>0.2Meff (Meff = Σ|pT|+mET)
ｓＴ＞０．２
Ne,mu=1 (pT>20GeV,isolated)
mT(mET,lepton)>100GeV
Ｍｅｆｆ分布（１レプトン）

bジェット
フェイクmET

MT分布

W（ｌν）、ｔｔ（ｌνqq）事象を抑制するのに有効。
主に残るのはｔｔ（ｌνｌν）。
トップが主な
バックグラウンド MCシミュレーションにより予想されるSM

バックグランドのＭｅｆｆ分布（左）と内訳（下）tt
W+njet８９％
１０％

期待される発見能力(1)

1 fb-1@14TeV（2011年ｰ？）ｍSUGRAを仮定した場合、期待される発見能力• ISAJET7.74 + Herwig, tanβ=10, A0=0, µ>0 and Mt=175GeV• 簡易検出器シミュレーション＋パラメタリゼーション• 有意度：cousins&Highland treatment : p-value<2.9E-7 (=5σ)• mET scan={200,300,400,500GeV} (no correction for multiple testing)
バックグラウンド推定の系統誤差~３０％（今日の片岡さんトークを参照）

５σ発見 ０レプトン
１レプトン

Te.5~q=1m~
mg=1.5TeV

V~
mg=1TeV

比較的レプトンが存在する割合が高い領域

系統誤差無し５σ発見 ０レプトン
１レプトン~q=1m０レプトン
系統誤差＞統計誤差

VTe

1レプトン発見能力（1fb-1@14TeV）~~ ~• mg~1.3TeV(mq~mgの場合)~~~• mg~0.8TeV(mq~2mgの場合)

期待される発見能力(2)200 pb-1@10TeV（2009年ｰ2010年）

mSUGRA(tanβ =10, A0=0, µ>0)200 pb-1√s=10TeV~
mg=1TeV５σ発見 ０レプトン
１レプトン

５σ発見能力（０レプトン、200ｐｂｰ1）
発見能力 with 200pb-1@10TeV~~ ~• mq~850GeV(mq~mgの場合)~~~• mg~500GeV(mq~2mgの場合)
95%信頼度で棄却（combined,100ｐｂｰ1）
Binned LLR (CLs=CLs+b/CLs)mSUGRA(tanβ =10, A0=0, µ>0)

95％CL排除 ０レプトン
１レプトン
combined

200 pb-1√s=10TeV

棄却能力 with 100pb-1@10TeV~ ~~• mq~1.2TeV (mq~mgの場合)~~~• mg~600GeV(mq~2mgの場合)

Ｄ０実験（PLB660,449(2008)2.1pb-1）~ 392GeV (mq~mgの場合)~ ~• mg~~~ 327GeV (mq>2mgの場合)• mg（但しµ<0, tanβ=3）

期待される発見能力(3)
他のＳＵＳＹモデルでの解釈

ＧＭＳＢ(NM=5, Mmes=500TeV, µ>0,Cgrav=1)

０レプトンモード
optMET
MET>100GeV

発見能力 （ｍＳＵＧＲＡ）
７５０ＧｅＶ
６５０ＧｅＶmSUGRA
NUHM

ＧＭＳＢ

4-jet
系統誤差なしＳ/√Ｂ=5◆ＥＷゲージーノセクターの違いはさほど発見能力に影響がない◆レプトンを含む崩壊比の違いにより発見能力に差が生じる。
◆Ｍ１：Ｍ２：Ｍ３比の違い（ＡＭＳＢ，ＫＫＬＴ等）は発見能力に大きく影響する。

発見後の解析・測定

SUSYの測定
質量スペクトラム、スピン測定などの結果（十分なルミノシティーが必要）が得られるまで観測された事象がＳＵＳＹ起源なのか不明。
発見後の測定（inclusive & exclusive）

ある特定の崩壊パターンをエンハンスするようなカットをかける

質量測定
SUSYの質量測定は以下の点で難しい•エネルギー損失（横方向のみ、分解能が悪い）•２ニュートラリーノ
partons•崩壊粒子の割り当て（Vi→Y1,2）問題、ISR
様々な測定方法が提案されている。
• inclusive(ad-hoc) measurement• transverse mass end-point （mT≤m）• invariant mass technique

生成断面積測定
その他？

質量測定とのクロスチェック

g(ISR)

V1(a1) V2(a2)Y1(a1+a2+q)N(p)p+q=mETY2(b1+b2+q)N(q)V1(b1) V2(b2)Effective Mass (Meff)
定義

Njet

M eff = " | pT (k ) | + mET
k= 0m2

m12 " m22
pT < p ~m1

mET " pT1 + pT 2

Ｍｅｆｆは最初に対生成された粒子の質量に対して!
相関を持っている。

!

pT1

m3
m1

pm1ppT2!
• 質量への焼き直しが直接的でない（ブースト不変でない）• ピークがあるが、かなり広い分布• Meffが小さいとバックグラウンド推定の不定性 （絶対値・スロープ）の影響大。

mg+<mq>˜ - Ｍｅｆｆの関係
˜˜ ˜
M3 gとqが縮退している場合
62585010751275
ｍSUGRAｍAMSB
mｇ＋＜ｍｑ＞(GeV)˜˜Ｂｋｇ推定によるバイアス
SU3（統計誤差のみ）
No bias 870+30% 920-30% -------

MT2（例） p ｑ(1)- stransverse mass -より解析的（解釈が直接的）な測定量。
個々のＬＳＰの運動量(pTχ(1)or(2))は分からないがその和は~ｍＥＴ（＝測定可能）
テストχ質量定義
mT2( m" ) # " (1) min" ( 2)pT!

MT２maxMT２+ pT= mET

˜qRppTχ(2)χ[max{m ( p , p ;m ),m ( p , p ;m )}]2Tq(1)T" (1)
T"pTχ(1)T2
Tq(2)
T" (2)T"

˜qR

χppTｑ(２)mT2(χtrue)分布

ｍMT(1)
MT(2)evt1
590 +13-6 ±9 GeV

p(1)TRIAL

mT2(χ)max=m(q˜R)
多くの場合、LSP質量は事前には不明→ｍT2（χtest)maxは（mqR, mχ）の関数。
˜ ˜
˜mqR-mχm(q˜R)=611GeV• 短い対称崩壊チェーンの同定（上図）• 統計（両側同じ崩壊チェーン）が必要• テスト質量≠LSP質量でない場合は横方向ブースト(ISR)に対して不変ではない。

Inclusive MT2, MTGen

pTｑ(1)

InclusiveにｍT2を計算。統計に関して有利。

χpTχ(1)m1• ハードプロセスから生じた粒子を２グループにわける際に生じる間違い。
pm1• 最初に生成される粒子群の質量差（スメアリング、テール）。
pTχ(2) χ• ISRを含んでしまう、崩壊から生じた粒子を見逃す。
M２Tのテストχ質量の依存性→テストχ質量をスキャンしてχ(true)を見つける
JHEP02(2008)014

ppTｑ(２)

JHEP06(2008)035

MMAM

3体崩壊
ISR無し

ISRがある方がスロープの変化は大きい

精密測定でなくとも初期にLSPの質量に制限がつけれないか？

MCT - contraverse mass q˜ Rの静止系においてｐT（ｑ１）がｑ˜Rとχ˜0の質量の情報をもっている
m 2 (qR ) # m 2 ( $ )max（Jetの質量＝０）pT " pT =2m(qR )pTのブースト不変でない、またｑRの静止系も不明。
contra-linear boost：２つのシステムを同じ大きさで逆方向へブーストさせる!

JHEP0804(2008)034

pTｑ1

ppTχ(2)

M

max
CTmax
T= 2pm 2 (qR ) " m 2 (# )=m(qR )

ISRがある場合は不変でない。

!

χpq˜ R

pTｑ２

sps1atrue
531GeV

2
MCT" [E T (q1 ) + E T (q2 )]2 # [PT (q1) # PT (q2 )]2!

˜qR χ

バックグラウンドを差し引いた後

定義

MCTはcontra-linear boost不変。

pTχ(1)~~qRqR

SUSY Bkg

Invariant mass technique (1)
q~L!

!

~±~0

"2~0"1lR

q±lnear!

!

l mfar!OSSF-OSOF! techniqueSU3(OSSF)
SU3(OSOF)
Bkg(OSSF)Bkg(OSOF)

N(e +e" ) / # + #N(µ +µ" ) " N(e ±µ m )β=0.86 (10%)

SUSYゴールデンチャンネル• 3段続きの２体崩壊• 同定可能な粒子の存在（レプトン）• 4 unknown mass + ≥4 equations→質量の決定~
χ2 0 ~ ~χ1 0
l1l+l-

1fb-1

mll = 99.7 ± 1.4 ± 0.3 (GeV )100.2GeV (true)

Invariant mass technique (2)qll

JHEP09(2000)004

Mtrue=418GeV~
qL

lq highcombinatorial!

~χ2 0

Mtrue=501GeV

q!

~
l1

qll thre(" ll > # /2)~
χ1 0l+near

lq lowl-far

Mtrue=325GeV!

!
Mtrue=249GeV• モデル依存なし、 両サイド同じ崩壊でなくてもよい• 基本的に質量ではなく質量差に感度のある測定• 統計が必要、コンビネーションにおける不定性（ｌnear,ｌfar ）!

Invariant mass technique (3)エンドポイント、閾値の測定自体は非常に精密に測定できるが、パラメータ（質量）間に強い相関があり個々の質量の決定は劣る。

mSUGRAモデル上での解釈
パラメータ測定：A0,tanβにはほとんど感度がない（µの符号にもなし）。

Invariant mass technique (4)hep-ph/0512204

300fb-1の統計でどこ精度まで測定可能か。
SPA (m0=70GeV,m1/2=250GeV,A0=-300GeV,tanβ=10,µ>0)

制限に必要な測定量が十分な精度で得られれば、一般的なMSSM枠組み内で解釈可能。

ΩDMｈ２
ニュートラリーノ質量差

ニュートラリーノ質量σ(mχ2-mχ1)~190MeVσ(mχ)~9GeV~１１％

手法固有の限界。
→別の独立した質量測定、もしくは制限があれば精度の向上可能。

生成断面積測定（1）◆質量と同様に基本的な観測量◆ＳＵＳＹの質量測定とは独立した質量測定 σ~σ（ＭＳＵＳＹ）（例）０レプトンモードの生成断面積est
N data $ N bkg" prod # (1$ BRisolep ) =%0$lepton & ' L

ｐT>２０GeVのisolated
レプトンをもつ割合!

０レプトンモードのセレクション効率

様々な系統誤差を考慮しなければいけない◆バックグラウンド推定（特にSUSYのコンタミネーションの存在がある場合）◆ルミノシティー◆BRLepton（レプトンisolation）
reco◆セレクション効率(ε0-lepton)
N isolep"ID (#, $ ) = MC プロセス依存性は•isolatedレプトンID効率
N isolep 無視できる。
•ジェットのエネルギースケール•トリガー効率•MC（SUSY）の系統誤差、仮定!

まだスタディがやられていない項目

生成断面積測定（2）
観測量 （１）観測された事象数(Ndata=σ･L･εeff )（２）Ｍｅｆｆのピーク値(Ｍｅｆｆ∝ＭＳＵＳＹ∝σＰＲＯＤ) （１）（２）の独立した２つの仮定◆ ｍSUGRA-like (M１:M２:M３=1:2:6)~ ~◆ mg~mq

観測量から生成断面積への焼き直しにおける不定性を押さえることが課題

生成断面積ｰ崩壊比（レプトン有）１レプトン０レプトン（ｍＥＴ＞３００ＧｅＶ）（ｍＥＴ＞４００ＧｅＶ）

効率=4−8％

効率=4ｰ13％スクォークが重い場合（つまり仮定に反する）

で実験結果を解釈した場合（１）と（２）の結果の矛盾

Ｍｅｆｆ
系統誤差
積算ルミノシティー（２０％）
ジェットエネルギースケール（５％）

まとめ
発見において• バックグラウンド推定は重要である→片岡さんのトーク• トリガーバイアス、効率に対する系統誤差• 実験結果の解釈方法、理論屋さんへのインプット

発見後の測定・解釈• 発見後の系統的な研究（inclusive測定からのヒント）• 測定のための解析の最適化• 質量測定に対するバックグラウンド推定（質量が小さい時など）• へミスフェア、ジェットアルゴリズムの改良・最適化

予備スライド•CMS実験•ATLAS検出器のパフォーマンス
•フェイクｍETの起源•物理プロセス起源でないバックグラウンド•その他の排他的測定の結果•エキゾティックなトポロジー（ｍET）•エキゾティックなトポロジー（no ｍET）

バックグラウンドその他

大きなｍETをもつ可能性のあるその他のバックグラウンド• フェイクミューオントラック• 測定ミスされたジェット• 同定されなかったミューオントラック• ホットセル、デッドセル• ビームガス、ビームハロー（＋QCD）• 宇宙線＋ハードな制動輻射（＋QCD）

フルモンテカルロシミュレーションにより検出器測定ミスの寄与の理解、並びに除去する手法はある程度確立されている。
液体アルゴン（約17万チャンネル）0.017%(感度なし), 0.003%(ノイズ大)コンサバティブ（タイミングを無視）に見積もっても２ｰ２０ｆｂ-1 (０レプトンカット後）
宇宙線起源

0.2-2事象 / 100pb-1→ＳＭバックグラウンドの0.1-0.01%

JET
１６４GeVmET174GeV
Y.Kataoka

実験データがでた際に積極的にフェイクｍET事象をタグし、除去するカットを導入。
大きいｍETをもった事象の詳細をチェック（波形分布、シャワーの漏れ）。

Effective Mass(A) m0=300GeV, M3=1025GeV

allgg
~~qg
~~~g(1050), ~g(960)(C) m0=2500GeV,M3=1025GeV~~g(1170), g(2600)(B) m0=1800GeV,M3=1025GeV
δµ480±94.

~~g(1140), g(2000)
dM/M=14%

Might be useful to ‘MODERATE’ case~~~~
i.e. σ(gq)~σ(gg)It is essential to predict backgroundshape at high tail.

Invariant mass technique

JHEP09(2000)004