[論文レビュー] $A_{FB}$ as a discovery tool for $Z^\prime$ bosons at the LHC

Elena Accomando, A. Belyaev+4 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Apr 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける$Z^\prime$ボソンの発見手法としてフォワードバックワード非対称性（AFB）の利用を提案し、従来のバンプハンティング手法が失敗する状況でも、狭い幅と広い幅の両方の$Z^\prime$共鳴状態を検出可能であることを示している。AFBは、線形形状が明確で系統誤差が小さく、特に共鳴断面積信号が背景と融合する広い共鳴状態において、同等または優れた感度を示すことがわかった。

ABSTRACT

The Forward-Backward Asymmetry (AFB) in $Z^\prime$ physics is commonly only perceived as the observable which possibly allows one to interpret a $Z^\prime$ signal by distinguishing different models of such (heavy) spin-1 bosons. In this article, we examine the potential of AFB in setting bounds on or even discovering a $Z^\prime$ at the Large Hadron Collider (LHC) and show that it might be a powerful tool for this purpose. We analyze two different scenarios: $Z^\prime$s with a narrow and wide width, respectively. We find that in both cases AFB can complement the cross section in accessing $Z^\prime$ signals.

研究の動機と目的

• AFBが、単なる発見後の診断手法ではなく、LHCにおける$Z^\prime$ボソンの主な発見手法として機能できるかどうかを調査すること。
• 標準模型（SM）背景と混合するため、標準的な断面積ベースのバンプサーチが失敗する、広い$Z^\prime$共鳴状態（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \gtrsim 50\%$）の検出課題に対処すること。
• $Z^\prime$、$Z$、$\gamma$の干渉効果が制御領域を歪め、背景推定を損なう状況下でのAFBの感度を評価すること。
• AFBに基づく有意性と従来の断面積ベースのサーチを、狭いおよび広い$Z^\prime$モデルの両方で比較すること。
• AFBが共鳴ピークから離れた領域でも信号を早期に露呈できることを示し、新しい物理の兆候を早期に得られることを示すこと。

提案手法

• 本研究では、$\sqrt{s} = 13$ TeV、$\mathcal{L} = 300\,\text{fb}^{-1}$の条件下で、$pp \to l^+l^-$のDrell-Yan過程を分析し、$l = e,\mu$に焦点を当てる。
• AFBは、$A_{FB}^* = \frac{\sigma(\eta_l > 0) - \sigma(\eta_l < 0)}{\sigma(\eta_l > 0) + \sigma(\eta_l < 0)}$として計算され、ここで$\eta_l$はレプトンの擬スピンである。
• $E_6$、GLR、GSMフレームワークからのモデル固有のカップリングを用いて、$Z^\prime$、$Z$、$\gamma$間の有限幅および干渉効果を含める。
• 有意性は、同じビンに分けたインvariant質量分布に対してAFBの有意性を評価し、断面積ベースの有意性と比較する。
• ベンチマークモデルには、狭い（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \sim 0.5-12\%$）および広い（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} = 80\%$）$Z^\prime$シナリオが含まれる。
• 本手法では、WZPRODを用いたNNLO QCD計算と、CTEQ6.6 PDFを用い、受容性カット（$p_T > 25$ GeV、$|y_l| < 2.5$）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AFBは、従来の断面積ベースのバンプサーチに依存せずに、LHCにおける$Z^\prime$ボソンの主な発見手法として機能できるか？
• RQ2 狭い$Z^\prime$共鳴状態（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \sim 0.5-12\%$）の検出において、AFBの感度は断面積ベースの有意性と比べてどうか？
• RQ3 断面積信号がSM背景と区別できないほど広い$Z^\prime$共鳴状態（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \gtrsim 50\%$）をAFBは検出可能か？
• RQ4 Z^\prime$、$Z$、$\gamma$間の顕著な干渉効果がある状況下で、制御領域の背景推定が損なわれる場合でも、AFBは頑健で感度が高いか？
• RQ5 AFBは共鳴ピークから離れたインvariant質量スペクトルの領域でも信号を露呈でき、新しい物理の早期兆候を提供できるか？

主な発見

• 狭い$Z^\prime$共鳴状態では、AFBベースのサーチが、特にピーク領域において従来の断面積ベースのバンプハンティングと同等の有意性を達成する。
• AFBは共鳴ピークを越えて感度を示し、断面積信号が平坦または抑制されている場合でも、インvariant質量スペクトルに測定可能な特徴を示す。
• 広い$Z^\prime$共鳴状態（$M_{Z^\prime} = 1.5$ TeV、$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} = 80\%$）において、AFBは断面積の有意性が1$\sigma$未満に低下する領域で2$\sigma$の有意性を示し、優れた感度を示している。
• 広い共鳴状態におけるAFBの線形形状は明確で、制御領域の干渉効果の影響を受ける程度が小さく、断面積ベースのカウント実験よりも頑健である。
• 広い$Z^\prime$シナリオでは、断面積信号が背景と融合する状況でも、AFBはその特異な角度相関依存性のおかげで信号を検出可能である。
• 本研究では、AFBが断面積測定よりも系統誤差に敏感でないことが確認された。AFBは断面積の比であるため、複雑な干渉環境下でも信頼性が高まる。