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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
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）
2
内容
概要
for 3 cases {
1.
2.
3.
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）
3
ＳＵＳＹシナリオにおける長寿命粒子
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）
~
~
c0
g + G (N = 1)
1

mes
スレプトンすっぽ抜け, kinkトラック
~
l + G~ (Nmes > 1)
l
AMSB
~
c1-+- と ~
c10 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
~ etc
~ tqq,
~
~ tq,
~
R=gqq,
gqqq,
gg,
Phys.Rept,438 (2007)1.
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）
4
イベントトポロジー別分類
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)
(A) Sleptons, R-hadrons
(遅い重粒子)
電荷有
Ionization energy loss
~
`~! G`
 核力相互作用(R-hadron case)
(Â
~§1 ! Â
~01 + ¼§ )
 muon検出器による (TOF) 遅延測定
R-hadrons
(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
電荷無
~
Â
~01 ! G°
2) direct production (R-hadron)
kink or
disappearing
track
(B)
non-pointing
photons
heavy slow
particles
(A)
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）
5
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）
6
（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）
7
(A.1) 重粒子のATLAS内での振舞い（相互作用）
核力相互作用はR-hadronsのみ
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)


d
u
u u
~
g
d
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)
Energy loss per int. (GeV)

~
g
ATLAS Prelim.
Geant4
300 GeV/c2 gluino in iron
R-hadron Energy (GeV)
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
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(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
~ R-hadron track
`or
best track ¯t with ¯ 6
= 1
radius with¯ = 1
MDT drift time optimization
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
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(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
h=1.0
m
ATLAS Prelim.
2
R~
g 300GeV/c
107cm
56cm
R-hadronの場合
sleptonでも同様に見える
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
10
(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
calorimeter energy deposit
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
energy deposit「ＧｅＶ］

bg=0.1
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
slepton
1
muon
10
100
11
event display その１
gluino R-hadron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）
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(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）
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(A.2) トリガー＆再構成率
● Slepton


（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
menu
Efficiency
mu40
muon pT>40GeV
95%
xe200
missing ET>200GeV
63%
em25i
Isolated EM cluster E>25GeV
46%
● R-hadron




Level-2 trig
Reconstruction
R-gluino
20-30%
10-15%
R-stop
20-30%
20-30%
300GeV-2TeVにお
ける値
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
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
14
(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）
measured b
pT>40GeV, b<0.97, m>40GeV
< 0.2Hz at 1033cm-2s-1
inclusive muon
GMSB slepton (m=100GeV)
L2 mass [GeV]
generated b
March 29, 2008
500pb-1
陣内修（ＫＥＫ）
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(A.3) sleptonsの再構成
ICEPP野本君のワーク
昨年秋学会 21aZE-6
● 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
0.8*
1.0*
0.6*
0.4*
ATLAS Prelim.
March 29, 2008
If upper b cut=0.7
M=100+/-4.3GeV
b
測定質量 [GeV]
陣内修（ＫＥＫ）
mass resolution
Efficiency
*b仮定
mass resolution
mslepton=100GeV
s~3.9%
s~10%
upper b cut
16
(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)
March 29, 2008
P(ID)/P(MU)
陣内修（ＫＥＫ）
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（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）
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(B.1) kink, 消失トラック
● 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
107cm
（バックグランド）
TRTが鍵になる
TRT
崩壊長 (cm)
56cm
ICEPP東君のワーク
学会発表26aZE-6
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
19
event display その２
消失トラック
TRT基本的にノイズhitが多い
~
c -+1
回っているelectron
~
c 0 (実際は見えない)
1
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
20
(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 %
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
ずらさなかった場合の
3層目のhit数
particle hits
消失トラックはノイズと十分に識別出来る
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
21
(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
DY Z→μμ
March 29, 2008
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
陣内修（ＫＥＫ）
22
(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）
23
（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）
24
(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）
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
0.025 x 0.025
r
● 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
Middle
Front
EM shower
g 60 GeV
EM shower
g 60 GeV
~
G
c~
´ r ec = ´ geom
0
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
pointing
´ r ec 6
= ´ geom
non-pointing
25
event display その3
~
c0
1
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
26
(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)
March 29, 2008
non-pointing (ct = 3.2m)
陣内修（ＫＥＫ）
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(C.3) non-pointing光子再構成、g-ＩＤ
● 再構成
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)
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
neutralino decay length in Z(mm)
28
(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
Standard ID
ct=1.1mm
ct=1.0m
ct=3.2m
Optimized ID
ct依存性が軽減
● gとしてFake ID されるJetのrejection
~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）
29
(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
March 29, 2008
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
陣内修（ＫＥＫ）
30
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）
31
BACKUP SLIDES
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
32
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
Photon ID variables
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
34
(A) trigger for slow heavy particles (slepton, R-hadron)
The fate of the hadron-collider exp.
Data cannot be analyzed unless it is triggered !
GMSB Slepton
M=100GeV
● Heavy penetrating particles are triggered as
muons, generally produced in pairs
 inclusive high-pT single muon menu
pT threshold
Luminosity
20GeV
Low (1033cm-2/s-1)
40GeV
High (1034cm-2/s-1)
b spectrum
rate estimates are on-going discussion, menu not fixed yet

must reach the last trigger stations in time for
coincidence
GMSB Slepton
M=100GeV
t ar r i val < t ¹ + 25nsec

if faster one triggers in right bunch crossing, the
other can be reconstructed in offline
number of Muon trigger
candidates (b, acceptance)
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
35
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
36
(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
jet
~
G
g
missing
~
G
m
menu
condition
2g20i
2 isolated photons pT>20GeV
g60
1 photon pT>60GeV
ATLAS Prelim.
missing
g
CAL ID
jet
March 29, 2008
e
trigger (EF) efficiency
w.r.t. non-point MC
photon (leading
pT>60GeV)
jet
dh = h(point) – h(geom)
陣内修（ＫＥＫ）
37
(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

Rec
Incident angle dependence
Efficiency
ATLAS Prelim.
Rec
Rec+ID
dh = h(point) – h(geom)
March 29, 2008
2m
decay vertex distance from IP(0,0,0)
dh (Rec -- Truth)
Barrel Only
Rec+ID
1m
● efficiency, resolution in terms of
“degree of non-pointing”
ATLAS Prelim.
resol. < 0.002
ATLAS Prelim.
dh = h(point) – h(geom)
陣内修（ＫＥＫ）
38
(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
g 60 GeV
~
G
c~
beam axis
0
MC pT>60GeV
Reconstruction
ATLAS
Prelim.
Barrel
only
std. IDs
(tight/loose)
z’
ATLAS Prelim.
recovery of ID-efficiency
(removing h width cut on 2nd layer)
Z’ distribution (cm)
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
39
(A.3) Reconstruction of the R-hadrons
[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%)
Charge flip ID  Muon
+ initial charge
- initial charge
ATLAS Prelim.
doubly charged
ATLAS Prelim.
ATLAS Prelim.
mean = 306GeV
s= +/- 16GeV
(input: 300GeV)
MDT hits>10
|h |<2.5
b
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
40
(A.3) Reconstruction of the sleptons
● Sleptons are reconstructed as muons
ATLAS Prelim.
efficiency
● 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 ongoing, b measurement O(5-10%)
reconstruction (b=1 assumed)
ID loose
(fit c2/ndof < 5
maching c2<20)
ID tight
(fit c2/ndof<2
matching c2<10)
m = pmeas/bgmeas
● the plan to recover the next bunch
crossing is on discussions
ATLAS Prelim.
hep-ph/0010081
mt =100.1GeV
5%
offline b reconstruction
March 29, 2008
陣内修（ＫＥＫ）
15%
bmeas
41

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