研究会「LHCが切り拓く新しい物理」
東京大学，2009年4月1-3日

Exotics Summary
（実験）
寺師 弘二
ICEPP 東京大学
1

アウトライン‣ トポロジーとモデル‣ CSCノートの結果‣ これからやるべきこと‣ 面白そうなこと・盛り上がっていること

2

新しい物理（モデル）は何か？
SUSY以外で見ると、、、余剰次元‣ ADD, UED, RS, ...
EWSB‣ Little Higgs, テクニカラー, ...
CompositenessLeft-Right symmetry
Leptoquarks
重いクォーク•レプトン‣ 第４世代, GUT, ...
3…

トポロジーで調べる
余剰次元２レプトン‣ ADD, UED, RS, ...
EWSB

２ジェット

‣ Little Higgs, テクニカラー, ...
Compositeness

レプトン＋ジェット

Left-Right symmetry
２ボソン
Leptoquarks
複数のレプトン＋複数のジェット

重いクォーク•レプトン‣ 第４世代, GUT, ...
4

トポロジーで調べる
２レプトン

２ジェット
レプトン＋ジェット
２ボソン
複数のレプトン＋複数のジェット

アトラスExoticsグループの基本方針
CSC（Computing System Commissioning）の解析でも使われた。
CSCでの研究：‣ 0.01-10 fb-1程度の初期データを用いた解析‣ より確実な（不完全な検出器でも見える）信号‣ 安定した低レベルのバックグラウンドが予想されるもの‣ 信号の特徴が明確（分布上のピーク、形の変化など）
以下ではいくつかの結果のみ取り上げる。

‣ ２レプトン‣ ２ジェット‣ レプトン＋ジェット5dσ /dm (fb GeV -1 )dσ/dMee (fb/GeV)

２レプトン：Z’ → ee
２つのloose electron (|η|<2.5)- e55トリガー- IDトラックとマッチ- 少なくとも１つのelectron pT>65 GeV

Mee

10 -1

10 -2

1 TeV Z' χ - parameterization
Drell-Yan - parameterization
1 TeV Z' χ - ATLAS simulation
600

ルミノシティー (fb-1)

L (fb )SM Drell-Yan過程
系統誤差：
Drell-Yan生成の不定性（理論）‣ 9% at Mee=1TeV‣ 14% at Mee=3TeV

1500

主なバックグラウンド：➔ 後述cf) 実験による誤差 < ~5%

1 TeV
MZʼ

ATLAS

700

800

-1

101

10900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
M (GeV)

Z 'ψ
Z 'η
Z 'LR
Z 'χ
Z 'SSM

ATLAS-15σ発見-2

10 1000

61500

2000

2500

3000(GeV)
Z’
MZʼM(GeV)Events/30GeV/100pb-1

Z’ ! model mass spectrum

２レプトン：Z’ → μμ
２つのcombinedミューオン- mu20トリガー- pT>30 GeV, |η|<2.5- 電荷が反対‣ 高いpTでは、pT分解能（→Mμμ質量分解能）はelectronよりはるかに悪い➔ 検出器のalignment
ドリフトチェンバーの分解能に依存する。

100 µmhMasseRecCutM800ST_Nominal_ZprimeChi

Entries

5006

Mean

993.9

RMS

117.3

300 µm1000 µm

3ATLAS
2misalignment
による影響

1500

1000

1500

2000

2500
3000
Mµµ (GeV)

Mμμ (GeV)
11-CLb

ルより少ない1 TeVZʼχ

400‣ フェイクBGはelectronチャンネ

Ideal

5-1

10ATLASNo systematics
Trigger
Trigger + DY (9% nuisance parameter)
300µm misalignment
300µm (+-150 µ m nuisance parameter)
All systematics

10-210-3

1 TeV ZʼSSM-4

10300μmの不定性を仮定-51010-610-710-875 ! discovery potential

510152025-1-1))
Luminosity
ルミノシティー
(pb(pbd!/dm [fb GeV -1]

２レプトン：共鳴状態

dσ/dMee（適用後）
10-1

バックグラウンド (Electronチャンネル)‣ Drell-Yan過程‣ フェイクBG

10-2- ジェット：QCD, W/Z+jets- フォトン：W/Z+photon, di-photon- 両方：photon+jet

10

DY

W+jjj

j+ "W+"

Z+"" +"Z+j

-3

10-4

標準Electronカットのジェット（フォトン）
除去因子 R=4x103（10） をバックグラウ
ンドサンプルに適用。
‣ Drell-Yan BGが支配的‣ ２ジェット BGはDYの約３０％

10-550010001500

2000

2500

3000

M (GeV)➔ どこまで信頼できるか？

-1dσ dM d σLO dM

1.35
1.31.25‣ Drell-Yan ２レプトン生成の理論不定性- EWK/QCDの高次補正- スケール依存性：+6/-3%- PDFの不定性： 5(11)% at 1(3) TeV

1.2

1.15
1.1
1.05

‣ 実験からの不定性 < ~4%- Electron ID/Acceptance

1500

8CTEQ
1000

1500

2000

2500

3000

M (GeV)２ジェット：モデル非依存の共鳴状態モデルを想定しない２ジェット共鳴状態の探索➔ QCD (PDF) 分布の測定
Mjj ≈ x1 · x2 · s
pTJet1,2>15GeV|ηJet1,2|<1.2ΔΦ(Jet1,2)>2.5

２ジェット質量分布にフィット(1 - Mjj /√s)p1dσ= p0dMjjMjj p2

Mjj (GeV)

フィット幅の上限を変える（下限は固定） sliding window（幅: 3ビン）を除いてフィット

q* (M=2TeV)

q* (M=2TeV)

フィット幅の上限値9除かれるウィンドウの中心値

２ジェット：一般的な共鳴状態
フィット幅の上限を変える（下限は固定）

もしχ2が１からスタートしない？

‣ 低いpT領域のジェット補正？
‣ トリガーの境目？
‣ pT spectrumは？

q* (M=2TeV)

フィット幅の上限値

もしχ2がだらだらと上がったら？

‣ pTに依存するジェットの系統誤差？
‣ Compositeness?
‣ 幅の広い共鳴状態?（例えば重いグルーオン）➔ 高いpT領域のジェット軟正が重要

Mjj (GeV)

10レプトン＋ジェット：レプトクォーク- クォークとレプトンの両方の量子数と ‣ ≥2レプトン：pT>20 GeV, |η|<2.5反整数の電荷を持つ。
- SMと同じ３世代：LQ1(2) → e(μ)+q- ETmissを含まない。

β2 * events / 10 GeV / 100 pb-1

2520

MLQ1=400 GeV
100 pb-1

i=leptons‣ Mll > ~100 GeV‣ l-j対応: Mljの差が最も小さくなる組

1β2

β下限2ATLAS

ATLAS

0.9Signal - 400 GeV

1st gen.

0.8

Drell-Yantt
WW,ZZ,WZ

2nd gen.

0.7
0.6

1510j=jets

レプトクォークの質量とβ下限平面での5σ発見能力

Br(LQ→lq)30First generation‣ ≥2ジェット：pT>20 GeV, |η|<4.522i‣ ST ≡ ∑ PT + ∑ PT j > ~500 GeV

0.5ttが主なBG

BGの系統誤差を含む

0.4

14 TeV
100 pb-10.35000.20.1

100 200 300 400 500 600 700 800
Mlj [GeV]
レプトン-ジェット系の質量

11300

350

400

450

500550
Leptoquark mass [GeV]

レプトクォークの質量レプトン＋ジェット：LRシンメトリー
J.C.Pati and A.Salam : PRD 10, 275 (1974)

WR → l + Nl
Nl → l + q’ + q (l=e, μ)SU(2)L SU(2)R U(1)B-Lゲージ対称性➔ 高エネルギーでパリティが保存

レプトクォークと同様のカット‣ ST > 700 GeV‣ Mll > 300 GeV‣ Mljj > 100 GeV‣ 新しいゲージボゾン（WR, Zʼ, H）‣ 重いマヨラナニュートリノ（Ne, Nμ, Nτ）
10.0ATLAS

eチャンネル
10WR=1.5TeV
Ne=500GeV

101ATLAS

100 pb-1WR=1.8TeV
Ne=300GeV

1Signiﬁcance2Significance (dielectron channel)

Events / 50 GeV per 100 pb-1

➔ SMニュートリノの軽い質量を説明（シーソー機構）

7.5

WR=1.5TeV
Ne=500GeV
5.0

WR=1.8TeV
Ne=300GeV
2.5

系統誤差あり eチャンネル
系統誤差なし

10-1

500

1000

1500
M(eejj) [ GeV ]2000

eejj系の質量 (GeV)

0.0

2500

0

12100
200
Integrated pp luminosity [ pb-1 ]ルミノシティー（pb-1）

300

複数のレプトン＋複数のジェット：
ブラックホール‣ 理論の説明‣ モンテカルロ生成‣ 解析手法と結果
‣ 問題点
‣ ...
➔ 兼田さん（東大）

13

これからやるべきこと1) s=10TeV、ルミノシティー100-200 pb-1で再評価‣ 既に多くの解析で行われているが、、、‣ 14TeVの解析手法でOKか？
‣ 新たな問題点は？
‣ 物理対象のパフォーマンス？
2) data-drivenバックグラウンドの方法・評価の確立
3) 発見法の開拓- 例）R =N(χ ≤ χcut)
N(χ > χcut)vs χexp(|η1 - η2|)（クォークCompositeness, BH２ジェット）14

高いpTのレプトンデータを用いたレプトン同定効率の決定 ➔通常”タグ＆プローブ”と呼ばれる方法が使われる。

‣ タイトIDカット on tagレプトン‣ 効率 vs probeレプトン（Zボソン

100 pb-1のピークで）(→ 増渕さん＆東城さんのトーク)‣ 統計の限界 at pTLepton ~100 GeV‣ pTLepton ~ 300-500GeVまで伸ばせられないか？
‣ MCとの比較・スケール調整 ➔もっと高いpT領域へMCで外挿?
Electronの場合（MCの結果）
ET280-560 GeV

560-1120 GeV

Eﬃciency

Jet Rejection

Eﬃciency

Jet Rejection

Loose ID

90%

62092%

550

Medium ID

85%

2300

87%

190015

- pT >100 GeVで差が出始めている？
- 少なくともpT >200 GeVは初期には無理、、、。

運動量分解能‣ ミューオン：∆pT/pT pT‣ 電子：∆pT/pT 1/ pT

Combinedミューオン

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5

ルミノシティー：？

MCtruthTag/Probe

ATLAS
30

40 50 60

300 400p (GeV)T
ミューオンのpT (GeV)
100200運動量分解能 (%)”タグ＆プローブ”（→前のスライド）

再構成Eﬃciency

高いpTのミューオン

高いpTでは検出器のアライメントとドリフトチェンバーの分解能がもっとも効くが、ともに理想とするレベルに近づいているよう、、、。

‣ 理想：∆pT/pT 〜10% @ 1TeV
➔ 詳しくは石川さん（神戸大）？
16

ミューオンのpT (GeV)

ジェットの軟正実験開始時完全にMCベース

実験初期

徐々にデータ・MC混成へ移行

ジェットエネルギースケール補正（実験初期）

pTcorr = [pTmeasured - pToﬀset] · C(pT,η) · R(pT)‣ pToﬀset = pToﬀset (η, NPV, L) : オフセット補正‣ C(pT,η) : η応答の相対的な均一化‣ R(pT) : 絶対エネルギースケールへの補正(→ 山本さんのトーク)
17

Relative Eta
correction

Absolute EnergyScale

高いpTのジェット‣ 反跳システム内のジェットは軟正されて高pTジェットとバランスするReferenceが必要➔ マルチジェットいる必要がある。

‣ Jet 1は反跳システム全体とバランスする

Jet 1

Jet 2

T

1.2
1.15

!3 jets (pJet>20GeV)T

Jet1
0.00 < pJet2/p< 0.75
TTT

Jet 4

- ソフトなグルーオン放射- underlyingイベント- out-of-coneエネルギー
pJet1 / pRecoilpTバランス
による軟正

Jet 3

ため、以下を考慮する必要がある。

Cone4H1Tower
Cone7H1Tower
SISCone7H1Tower
AntiKt6H1Tower

1.1

反跳システム1.05
1
主なずれの理由（pTJet1<300 GeV）
‣ 不完全なH１軟正因子
0.95‣ ソフトなグルーオン放射
0.9➔ 反跳システムのpTを過小評価
18

H1軟正適用後のジェット
200

400

600

800 1000 1200 1400 1600
pJet1 (GeV)T面白そうなこと・盛り上がっていること
1) 縮退したSUSYとUED
2) KKグラビトン・グルーオン
3) 重いクォーク•レプトン
4) Compositeness19縮退したSUSYとUEDの探索（I）
K.Kawagoe, N.Nojiri PRD74 115011~ ~ - M(LSP)∆M = M(g,q)∆M>400GeV（∆M/M>40%）
なら発見可能（➔右図参照）
ATLAS標準１レプトンSUSY解析は、∆M/M<30%ではバックグラウンドが多く発見は難しい、、、。

➡より縮退した場合（∆M/M<30%）の発見能力を高める解析方法の開発➡UEDに限らず、縮退したSUSYの探索にも応用できる
例）MMAM（Mixed Moduli Anomaly Model） ➔ ∆M/M ~ 30-70%
参照） 岡村淳一くんの学会トーク「ATLAS実験によるUED模型及び縮退したSUSY模型の研究」
20縮退したSUSYとUEDの探索（II）
信号：UEDモデル（縮退した粒子スペクトラム）
質量スケール：1/R

R＝コンパクト化スケール➔ 1/R=700GeVと900GeVの２通り

縮退度：ln(ΛR)の補正項 ➔ 各質量につき、ΛR = 2, 4, 10, 20（∆M/M ~ 5, 10, 15, 20%）の４通りをPYTHIAで作成

バックグラウンド- QCD（PYTHIA）- W/Z+jets（ALPGEN）- tt（MC@NLO） ➔ 最も主要なバックグラウンド
１レプトン解析

２レプトン解析

① #Leptons = 1 (PTLepton >10 GeV)

① #Leptons = 2 (PTLepton >10 GeV)
② Same sign leptons② #Jets ≥ 3 (PTJet >30 GeV)

③ #Jets ≥ 2 (PTJet >50 GeV)

③ Jet1 PT >100 GeV④ ETmiss >100 GeV⑤ MT >100 GeV④ ETmiss >100 GeV

21

縮退したSUSYとUEDの探索（III）
S/ B∆M/M= 5%10%15%１レプトン解析20%
1/R=700GeV

ETmiss >300 GeV１レプトン解析

1/R =} 700GeV} 900GeV発見可能!!

BG

10 fb-1２レプトン解析

２レプトン解析

1/R=700GeV∆M/M (%)
tt ➔ 最も主要なバックグラウンド

今後の課題‣ データによるBGの評価- １レプトン解析：MT法?（MT vs ETmiss）- ２レプトン解析：？ 1031トリガーメニュー‣ トリガー- レプトン＋ジェット
ETmiss (GeV)(＋ETmiss)?
22

j42̲xe30̲e15i̲medium
j42̲xe30̲mu15
mu10̲j18
4j23̲e15i̲medium
4j23̲mu15

KKグラビトン・KKグルーオンの探索（I）
歪曲した余剰次元モデル (Randall, Sundrum)➡２つのブレーン：Planckブレーン（y=0)とTeVブレーン（y=πrc）➡メトリック ds2 = e-2σ(y)ημνdxμdxν - dy2, σ(y)=k|y|（k = バルクの曲率）➡２つのブレーン間でワープ因子 e-krcπ (krc ≈ 11) 分だけスケールが抑圧される。
RS1‣ 全てのSM粒子はTeVブレーン上に拘束。
‣ グラビトン結合因子 1/Λπ (Λπ = MPl e-krcπ)

Bulk RS‣ 全てのSM粒子がBulkに飛ぶ。
‣ KKグルーオン、トップクォーク（yt ~1）
ともにTeVブレーン近傍に局所化する。

➔ 全てのSM粒子に共通

gu Z

W

Wu

10Z!

γ1teet

H

H

10(1)

g0.5

1

1.5

102

101

1 pb
100

10-1

10-2

10-3-10σ(pp→g(1)) (pb)

2!(pp -> g ) (pb)10

自由度の違い崩壊分岐比(%)
Branching Fraction(%)➔ KK g(1)→ttが支配的（Br~93%）

22.533.5Graviton Mass (TeV)

KKグラビトンの質量 (TeV) 23

10-4

12345678
MKK (TeV)

91011121314

KKグルーオンの質量 (TeV)- スピン２の測定も可能
モデルパラメータ
mG (TeV) k/Mpl

ΓGσ⋅Br(GeV)

(fb)

0.5

0.01

0.08

187

0.75

0.01

0.10

28

1.0

0.02

0.57

26

1.40.05

5.0227

バックグラウンド・系統誤差は
Z’ → ee解析とほぼ同じ

histogram - expected
full circles - "observed"

101 TeV G
1Mee

10-1

ATLAS

10-2

400

" x BR(G*!ee) fb

感度の高いチャンネル

Events / 20GeV / 1.0fb-1

KKグラビトン → ee

6008001000 1200 1400 1600 1800 2000
ee (GeV)k/MplM=0.01(×1.6)
k/Mpl=0.02 (×1.6)
ATLAS
k/Mpl=0.03 (×1.6)
k/Mpl=0.04 (×1.6)
k/Mpl=0.05 (×1.6)
5" Discovery
3" Evidence-1

s=14TeV

31010210124#L dt=1.0fb

400

600

800

1000

1200

14001600

Graviton M (GeV)

KKグラビトンの質量

KKグラビトン→ee/γγ➔（もし存在すれば）発見可能性は高い。

KK生成であることの証拠？

ΔR (b, W)

KKグルーオン・グラビトンの探索（II）
Truth b-W(HadTop W) !R vs HadTop pT5
4.5
43.5
3

Inclusive tt (pTカット無し)
inclusive tt（pT>200 GeV）
Zʼ(2TeV) → tt
Zʼ(3TeV) → tt

2.52

➔ KK G→tt/WW/bbなどとの崩壊分岐比を測定する。

1.5➔ 崩壊生成物の同定が必要！

0.5

100

R=0.4
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

トップクォークのpT (GeV)
サブジェットt}

ジェット
質量μν

高いpTのトップジェットを生成。

‣ サブジェット構造‣ ジェットの質量‣ ジェット内のレプトンの存在

tkTスプリットスケール
ハドロン崩壊KK G/g(1) → tt

等を使ってトップをIDする。
レプトン崩壊25➔ 磯部さん（東大）

Compositenessの探索
クォークCompositenessηg2
LL L μ L
Lffff(Λ) =ψ
➔ 今のモデルf γμψf ψf γ ψf (η=±1)
22Λ‣ RR, LRの項をPythiaに追加‣ BH２ジェットとの違い？：χ exp(|η1 - η2|)分布？
‣ Compositenessの証明？：他の接触相互作用との違い？
トップクォークCompositeness
予想されるpp → ttttイベント数（14 TeV、10 fb-1）‣ SM：~35 イベント
‣ t-クォークCompositeness：~4000-40000 (Mρ=1 TeV)
~300-600(Mρ=2 TeV)
➡ 実験でどうやって再構成？
➡ 他のモデルと区別できる？

- ブラックホール~ → ~t t+t~ t → tttt + ~χ0~g+gχ 0?
- SUSY : ~26

重いクォーク•レプトン
d4+d4 → Wj+Wj‣ 第４世代のクォーク•レプトン
u4/d4 → W + q (q=u,d,s,c,b,t)
ν4 → W + lepton

md4 (GeV)

500750Γ (GeV)

8 10-3

2.8 10-2σ (pb)2.60.25
CompHEP v4.4.3‣ Little Higgs : 重いトップ（アップタイプ）
T → Wb/Zt! (pb)σ(gg→H)（pb）‣ E6-GUT : 重いボトム（ダウンタイプ）‣ 基本的にWqWq、WqZq、WqHqのどれかに壊れる。

‣ 今は10通りぐらいの崩壊モードに分けて解析。

第４世代クォーク
SM quarks only

102mq = 250 GeV
4mq = 1000 GeV

x10

4101

‣ モデル依存性の少ない解析は可能か？
- サブジェット？
2710-1
100

200

300

400

500

600

700

800900m h (GeV)
ヒッグスの質量まとめ‣ Electron, Muon, Jetなどの高いpT領域での軟正‣ ”ttが主なバックグラウンド”という場合が多い。
➔ 多種・複数のオブジェクトを要求した結果‣ 基本的な過程・PDFの理解とその不定性を減らす努力
何か面白いものや特徴的なトポロジーで欠けているものなどあったら教えて下さい。

28

Z’→μμ/W’→eν in Early Data
ATLAS fast simulation

ATLAS fast simulation

Z’→μμW’→eν

Luminosity needed for 5σ discovery (10 TeV)
Mass1 TeV

1.5 TeVZ’→μμW’→eν~80 pb-1~15 pb-1~500 pb-1~80 pb-1
29Chamonix
Feb. 2-6

Technicolor ρT/ωT → μμ‣ Technirho (ρT) and Techniomega(ωT) nearly degenerate→ m(ρT) = m(ωT) assumed‣ ρT/ωT →μμ has a small branch
but clean signal (early physics)

4.5
Integrated Luminosity (fb-1)

Technicolor Strawman Modelas a benchmark of stronglyinteracting theories

543.5
32.5

ATLAS
5 # Discovery
3 # Evidencestat⊕syst
stat only

21.5
10.5
0400
400 500
500 600
600 700 800
800 900
900 1000
1000
Mass("T,!T) (GeV)

Similar selections and systematic uncertainties to Z’→μμ analysis
30