Strategy and performance of the CMS long-lived particle trigger program in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

技術要約：$\sqrt{s} = 13.6$ TeV の陽子・陽子衝突における CMS 長寿命粒子トリガー・プログラムの戦略と性能

問題提起
素粒子物理学における標準模型（SM）は精密ではあるものの、ダークマター、物質・反物質の非対称性、ニュートリノ質量といった現象を説明できていない。標準模型を超える（BSM）理論は、しばしば長寿命粒子（LLP）の存在を予測する。LLPは、マクロな寿命を持つ。LLPは、即時崩壊する粒子とは異なり、崩壊する前に主要相互作用点（IP）から測定可能な距離を移動するか、あるいは検出器を完全に通り抜ける可能性がある。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における標準的なトリガー・アルゴリズムは、粒子がIPから発生することを前提とした即時的な対象に最適化されている。その結果、これらのアルゴリズムは、変位した頂点、遅延した到着時刻、消失するトラック、あるいはトラッキング領域の外側で発生する崩壊を伴う可能性のあるLLPのシグネチャに対して、不十分な効率となることが多い。CMS実験には、データ収集の帯域幅制限を超えずに、これらの一風変わったシグネチャを捕捉するための専用の戦略が必要である。

手法
本論文は、積分輝度最大 123 fb$^{-1}$ に対応する $\sqrt{s} = 13.6$ TeV の陽子・陽子衝突データを用いて、LLPを特定するために設計された CMS Run 3 (2022–2024) トリガー・プログラムの詳細を述べる。手法は、レベル1トリガー（L1T）および高レベルトリガー（HLT）にわたる多層的なアプローチを含み、特定のサブ検出器の能力を活用している：

1. トラッカーベースのアルゴリズム：

   • 消失するトラック（Disappearing Tracks）： 欠損横運動量（$p^{\text{miss}}_T$）と、カロリメータへのエネルギーを伴わない孤立した高 $p_T$ トラックを利用する。HLTは、荷電粒子がトラッカー内で検出不能な状態へと崩壊することを特定するために、特定のヒット欠損パターン（例：外側のヒットの欠如）を持つトラックを再構成する。
   • 変位したタウ（Displaced Taus）： IPから由来しないハドロン崩壊タウ・レプトン（$\tau_h$）のための専用 HLT 再構成アルゴリズムを実装する。これには、ストリップ検出器のヒットのみを用いた専用のトラッキング・イテレーションと、緩和された Hadrons-plus-Strips (HPS) アルゴリズムが含まれる。
   • 変位したジェット（Displaced Jets）： 即時的なトラックをほとんど、あるいは全く持たないジェットをタグ付けするためにトラッキング情報を用いる。Run 3 の改良点には、低質量 LLP に対する効率を維持しつつレートを抑えるための反復的トラッキングを利用した「包括的（inclusive）」および「変位（displaced）」タグ付け要件が含まれる。

2. カロリメータベースのアルゴリズム：

   • HCAL タイミングと深さ： ハドロンカロリメータ（HCAL）の Phase I アップグレードを活用する。これは深さ方向のセグメンテーションと精密なタイミング（Time-to-Digital Converters による）を提供する。L1T アルゴリズムは、「遅延した」ジェット（即時的な粒子より 6 ns 以上遅れて到着するもの）や、「変位した」ジェット（浅い部分の堆積が最小限で、カロリメータ深部にエネルギー堆積があるもの）を識別する。
   • ECAL タイミング： 電磁カロリメータ（ECAL）のタイミング能力を利用して、遅延した光子や電子をトリガーし、特にディフォトンのシグネチャを対象とする。
   • CalRatio： ハドロンカロリメータ内部での崩壊を示す高い中性ハドロンエネルギー分率（NHEF）を持つジェットを標的とする、特定の HLT パス。

3. ミューオン分光器ベースのアルゴリズム：

   • 変位したミューオン（Displaced Muons）： 大きな横方向変位（$d_0$）を持つミューオンを再構成するために、ビーム軸に制約のないトラック探索器を L1T および HLT で利用する。
   • ミューオン検出器シャワー（MDS）： ミューオン系内で崩壊する LLP によって引き起こされる、カソード・ストリップ・チェンバー（CSC）およびドリフト管（DT）における高多重ヒットクラスターを検出する。L1T ロジックはヒット数を圧縮してシャワーを識別し、HLT は背景事象を排除するために 3D クラスターを再構成する。
   • スカウティング（Scouting）： 再構成されたオブジェクトのみを格納する縮小されたイベントサイズを用いるスカウティング・トリガーにより、低 $p_T$ 閾値（3 GeV まで）へのアクセスを可能にし、低質量 LLP を捉える。

4. No-BPTX アルゴリズム：

   • ビームが通過した後の空のバンチ交差（No-BPTX）の間のみアクティブとなるトリガーであり、停止した LLP（停止したグルオンなどの極めて長寿命な粒子を標的とする）を検出する。

主な貢献
本論文は、CMS Run 3 LLP トリガー・プログラムの最初の包括的な記述を提示しており、いくつかの新しいアルゴリズムと既存のアルゴリズムの重要なアップグレードを紹介している：

• 新しい L1T 機能： HCAL のタイミングと深さの情報、および CSC における MDS トリガーを用いたハードウェアレベルの LLP ジェットトリガーの実装。
• HLT の革新： 変位した $\tau_h$ 再構成、CalRatio トリガー、および改良された変位ミューオンおよび変位ジェットパスの導入。
• 性能の最適化： 高いパイライン・レイテンシを維持しつつ、増加するパイルアップ（最大 63.6）に対処するための、GPU 加速トラッキング（PATATRACK, mkfit）および機械学習手法（DEEPJET, PARTICLENET）の展開。
• データストリーム： 低いトリガー閾値を実現し、希少または低エネルギーの LLP シグネチャへの受容性を高めるために、「パーク（parked）」および「スカウティング（scouting）」データストリームを戦略的に使用。

結果
トリガーの性能は、シミュレーションおよび 2022–2024 年のデータを用いて評価されている：

• レート： 専用の LLP トリガーは、標準、パーク、およびスカウティングの各データストリームにおいて、それぞれ合計レートの約 10%、5%、18% を占める。「純粋な（pure）」レート（LLP トリガーに固有のイベント）は高く、物理的到達範囲の拡大を示している。
• 効率の向上：
  • 変位したジェット： Run 3 の変位ジェット・トリガーは、低質量 LLP（$10 < m_S < 60$ GeV）に対して Run 2 より 4 倍から 17 倍の効率向上を示している。標準的な高 $H_T$ トリガーと比較して、特定のシグネチャに対して 20 倍以上の効率を提供する。
  • 遅延したジェット： ECAL ベースの遅延ジェット・トリガーは、Run 2 の戦略と比較して、低 $H_T$ 最終状態に対する効率を大幅に改善している。
  • MDS： 専用の CSC MDS トリガーは、ミューオン系で崩壊する LLP に対して、従来の $p^{\text{miss}}_T$ ベースの戦略よりも大幅な受容性の向上を提供する。
• 相補性： 本論文は、異なるトリガー戦略が検出器の異なる領域（トラッカー、ECAL、HCAL、ミューオン系）および運動学的位相空間（変位 $c\tau$、質量、$p_T$）をカバーしており、多様な BSM モデル（例：AMSB, GMSB, Hidden Valley, Dark Sector）に対して幅広いカバレッジを確保していることを示している。

意義
本論文は、Run 3 LLP トリガー・プログラムが CMS 実験の新しい物理への感度を大幅に高めることを主張している。これらのトリガーを用いた初期解析では、すでに Run 2 の結果と同等またはそれ以上の感度が、大幅に少ない積分輝度で実証されている（例：変位ジェットにおける感度の 10 倍の向上）。このプログラムは、標準的なアルゴリズムが見逃す可能性のある、一風変わったイベント・トポロジーを再構成し、トリガーするための必要なツールを提供することにより、将来の高輝度 LHC（HL-LHC）における探索を含む、強固な基礎を築いている。この成果は、多様な BSM パラメータ空間を完全に探索するためには、検出器固有の情報とカスタムのトリガー・アーキテクチャが不可欠であることを強調している。