Initial State Radiation for Supersymmetric Particle
Production at LHC
平松賢士
with 野尻美保子, 清水康弘, J. Alwall
SOKENDAI KEK

02/04/2009

平松賢士 with 野尻美保子, 清水康弘, J. Alwall
Initial State Radiation for Supersymmetric Particle Production at LHC

SOKENDAI KEK

Summary
LHC であらゆる hard process には ISR が発生しうる。
重い粒子の生成 event はよりハードな ISR が発生する。
new physics の event では ISR の性質がどのように効いてくるか調べた。今回は MSSM を使用。

sparticle が LSP+jet に直接崩壊する場合、ISR の性質をつかってgluino production と squark production を分類できた。
ISR が reconstruction に及ぼす影響を取り除くことに成功した。(野尻さんの話で)
gluino と LSP が縮退した場合の ISR を用いた解析。 Alwall et al(Phys.Lett.B666:34-37,2008.)
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SOKENDAI KEKInitial State Radiation of PP → g̃ g̃
gluino pair production + ISR の場合。 PP → g̃ g̃

(1)

(2)

gluino pair production でもっとも多いのは additional parton がgluon のとき。これはソフトな jet となる。
additional parton が quark のとき、forward direction に Hard jet が出る。なぜなら...

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SOKENDAI KEKProperty of Initial State Radiation

valence quark の energy は高い, and ...
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SOKENDAI KEKProperty of quark branching
hard quark は hard quark と soft gluon に branch する。

quark の splitting function は以下の式。

P qq = C F

1 + Z21−Z

ここで,C F は color factor.
Z =(ﬁnal quark energy)/(initial quark energy)
peak は Z = 1 にある。
ﬁnal の hard quark は forward に出る。
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SOKENDAI KEKInitial State Radiation of PP → q̃ q̃
q̃ pair production + ISR の場合。 PP → q̃ q̃

(1)

(2)

この場合 hard quark は出ない。
Fig.(1) では hard quark は hard process に行く傾向がある。
Fig.(2) では initial state gluon は soft.

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SOKENDAI KEKEvent simulation

以下の simulation tool を使用。
MadGraph
hard processes を生成。( PP → g̃ g̃, g̃ g̃ j, q̃ q̃, q̃ q̃ j)

Pythiaparton shower や hadronization などの soft part を生成。
MadGraph の option で Matching を行い、double-counting を取り除く。

AcerDetdetector の特徴を再現。

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SOKENDAI KEKMatchingparton shower では additional な hard jet の特徴を記述できない。
PP → g̃ g̃ j と PP → q̃ q̃ j を計算する必要がある。
しかし parton shower と matrix element で double-counting が起こってしまう。

→→“Matching” はこの double-counting を取り除く。
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SOKENDAI KEKParton level distributions of g̃ g̃ j and q̃ q̃ jg̃ g̃ production では additional parton は forward に出ている。

左は g̃ g̃ j. 右は q̃ q̃ j.
modelpoint は sps1a

parton level での IRS の性質を確かめた。
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Difference between g̃ g̃q and q̃ q̃q

additional な parton が quark parton のときに違いが出る。

左は g̃ g̃q. 右は q̃ q̃q.

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Difference between g̃ g̃q and q̃ q̃q
Pt 分布にも違いが出ている。

Pt 分布.
左は g̃ g̃q.
右は q̃ q̃q.
下は重ねた図.

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Jet level distributions

jet level でもこれらの性質が現れるか?
jet の数が増えると ISR からくる jet を選び出すことが困難になる。

まずは sparticle が 2 体崩壊する場合で確認。

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SOKENDAI KEKAnalysis of two-body decay
Strongly Interacting Gauge Mediation では Gluino は gravitino(LSP)と gluon に崩壊する。
M.Ibe et al.(Phys.Lett.B671:378-382,2009.)
hidden sector と messenger sector は strongly interacting.
Gluino は NLSP.

g̃q˜RG̃(LSP)693GeV
870GeVO(10)eV 以下

mSUGRA では q̃ R は χ̃0 (LSP) と quark に崩壊する。
1

m0 = 1350GeV, m1/2 = 250GeV
tan β = 10, µ > 0, A0 = 0GeVg̃q˜Rχ̃01 (LSP)

772GeV693GeV
130GeV

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SOKENDAI KEKAnalysis of two-body decay

additional jet を以下のようにして選ぶ。
highest PT jet と second hightest PT jet を g̃ や q̃ から来た jet とみなす。
他の jet のうちで最も eta が大きいものを選ぶ。 (−3 < η < 3)
その jet が Third jet の場合、ISR 由来の jet とみなす。

hard な ISR が sparticle 由来の jet の次に大きい Pt を持つ状況とみなせる。

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SOKENDAI KEKEta distribution of the Third jet左は g̃ g̃ j。真ん中は q̃ q̃ j。右は重ねた図。
(300GeV < MT2 < 700GeV ) の cut を入れた。
end point 付近は ISR 由来の jet を正しく選べているとみなせるから。
g̃ の場合は forward に出ている。
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SOKENDAI KEKAnalysis of three-body decay

gluino が 3 体崩壊するような場合でも見れるか?

PP− > g̃ g̃ j− > 5 j + 2LSPq˜R は 3 体崩壊しない。

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SOKENDAI KEKAnalysis of three-body decaymSUGRA の次の point では gluino が χ0 (LSP) に 3 体崩壊できる。
1m0 = 1350GeV, m1/2 = 250GeV
tan β = 10, µ > 0, A0 = 0GeVg̃q˜Rχ̃01 (LSP)

685GeV
1425GeV102GeV

ここでは decay を g̃ → χ0 + u + ū に限る。
1

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SOKENDAI KEKAnalysis of three-body decay
additional jet を以下のようにして選ぶ。
Pt の大きい方から 5 つの jet を使用。
1 つの jet を除いた全ての組み合わせで最小となる MT2 を計算。除いた jetの PT が大きい順にMT2 (1), MT2 (2), ...MT2 (5) とラベル。
5 つの MT2 の値の中で最小のものがMT2 (2), MT2 (3), MT2 (4), MT2 (5) のいずれかである場合に additional jet のeta 分布をかく。

MT2 (1) を採用しないのは、ISR に関係無く Pt が大きいものを除く方がMT2 が小さくなる傾向があるのでゴミが多いから。
半分以上が ISR 由来の jet。
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SOKENDAI KEKAnalysis of three-body decay(500GeV < MT2 < 700GeV ) の cut

左は g̃ の図。右は quark 成分を引いたものとの比較。

q̃ R に 3 体崩壊する場合が無いので、additional quark の成分の振る舞いを見た。
additional quark jet が forward に出ている。
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Summaryg̃ g̃ production の ISR は forward に出ていて、 g̃ g̃ と q̃ R q̃ R の区別ができる。
2 体崩壊だけでなくより一般的な 3 体崩壊でも見えた。
ﬁve jet system を用いると MT2 endpoint の clean up ができ、event数も多い。(野尻さんの話で)

この method は他の new physics process でも適用できるだろう。

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Similar new physics processes
In Little Higgs model with T parity
quark partner の pair production

In UED (universal extra dimention)
Minimal model では hard jet が存在しない。何故なら level 1 KK のmass が縮退しているから。
gluon KK と quark KK の pair production

今回の method が適応できるか調査中。
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Thank you

ご清聴ありがとうございました

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Mt2

解析方法の 1 つに MT2 がある。
process が PP → SS → (p + χ)(p + χ) の場合

p の momentum と LSP の test mass と pTχ から

MT2 の end point は S の mass になる。
test mass に対する依存性があり、LSP mass のところで kink になる。

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Effect of ISR on the gluino reconstruction
多数の jet が出る場合 MT2 の endpoint が汚くなる。
gluino が 3 体崩壊する場合 g̃ → q + q̄ + χ

左は 4jet を用いた MT2 。右は 4jet で ( n50 = 4) の event のみを用いた MT2 。

n50 が 4 の event だけ使うと endpoint が綺麗になるが n50 が 4 のevent 数は非常に少ない。
→ 次の gluino reconstruction を用いて MT2 の endpoint を clean up
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Effect of ISR on the gluino reconstruction
Pt の大きい方から 5 つの jet を使用。
1 つの jet を除いた全ての組み合わせで最小となる MT2 を計算。除
いた jet の PT が大きい順に MT2 (1), MT2 (2), ...MT2 (5) とラベル。
5 つの mt2 の値の中で最小のものが MT2 (3), MT2 (4), MT2 (5) のいず
れかである場合にその MT2 を採用。

( n50 = 4) は event 数が少ないが ﬁve jet system は event 数が多い。
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おまけ平松賢士 with 野尻美保子, 清水康弘, J. Alwall
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Difference between g̃ g̃q and q̃ q̃q
このとき eta 分布だけでなく energy や Pt 分布に違いが出ていることも確認できる。

energy 分布. 左は g̃ g̃q. 右は q̃ q̃q.

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SOKENDAI KEKmodelpoint

sps1a
m0 100GeV
m1/2 250GeV
tanbeta(mZ) 10sign(mu) µ > 0
A0 -100GeV
Mass Spectrum(GeV)g̃ 607.713704
d˜L 568.441109
d˜R 545.228462
u˜L 561.119014u˜R 549.259265
s˜L 568.441109
s˜R 545.228462
c˜L 561.119014
c˜R 549.259265
χ̃10 (LSP) 96.6880686
Decay
制限無し

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Initial State Radiation for Supersymmetric Particle Production at LHCSOKENDAI KEKsquark right2 体崩壊の modelpointm0130GeV
325GeVtanbeta(mZ) 10sign(mu) µ > 0
A0 -130GeV
Mass Spectrum(GeV)g̃ 772.289089
d˜L 719.760182
d˜R 691.746123
u˜L 715.457475
u˜R 693.094233
s˜L 719.760182
s˜R 691.746123
c˜L 715.457475
c˜R 693.094233
χ̃10 (LSP) 129.671462
h0 113.148132
Decay
特に制限せずに作った。

m1/2

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SOKENDAI KEKgluino2 体崩壊の modelpointΛSUSY 100TeV
Λ mess 200TeV
tanbeta(mZ) 10sign(mu) µ > 0
N mess 1
Mass Spectrum(GeV)g̃ 846.780839
d˜L 1118.58526
d˜R 1066.01516
u˜L 1115.88964
u˜R 1069.75228
s˜L 1118.58526
s˜R 1066.01516
c˜L 1115.88964
c˜R 1069.75228
G̃(LSP) 1.000χ̃10 139.513550
h0 113.066294
Decayg̃ − > G̃ + g

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SOKENDAI KEKgluino3 体崩壊の modelpointm01350GeV
250GeVtanbeta(mZ) 10sign(mu) µ > 0
Mass Spectrum(GeV)g̃ 685.011265
d˜L 1427.95332
d˜R 1425.69286
u˜L 1425.82243
u˜R 1425.04752
s˜L 1427.95332
s˜R 1425.69286
c˜L 1425.82243
c˜R 1425.04752
χ̃10 (LSP) 101.653445
h0 114.330585
Decay

m1/2

g̃ − > χ˜10 + u + ub

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parton level の解析

additional parton が gluino のときは両方とも中央にある。

左が gluino+gluino+jet の図。右が squark+squark+jet の図。

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