[論文レビュー] A New Strategy to Discover Heavy Colored Vectors at the Early LHC

Natascia Vignaroli|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、初期LHCにおける重い色荷荷重グルーオン $G^*$ およびトップ/ボトム励起状態の探索戦略を提案する。$G^* \to Wtb$ 衰え経路を用い、不変質量分布および $M_{\text{all}}$ 対 $M_{Wb}$ と $M_{Wt}$ の散乱図を活用することで、信号とバックグラウンドの明確な分離が可能となり、$\sqrt{s} = 14$ TeV で 2 TeV まで $G^*$ の発見が可能であり、統合 luminosity がたったの 188 pb$^{-1}$ でも可能である。

ABSTRACT

We perform a study of the LHC discovery reach on a heavy gluon (G*) and heavy fermions (top and bottom excitations), coming from a new composite sector. We find that heavy fermion resonances have a great impact on the composite gluon phenomenology. If the composite gluon is heavier than composite fermions, as flavor observables seem to suggest, the search in the channel where G* decays into a heavy fermion plus its Standard Model partner is very promising, with the possibility for both the G* and heavy fermions to be discovered at the early stage of the LHC. The channel offers also the possibility to extract important information on model parameters, such as the top degree of compositeness.

研究の動機と目的

• 初期LHCにおける重い色荷荷重ベクトル、特に $G^*$ およびトップ/ボトム励起状態の発見感度を向上させること。
• 現在のフラーバー系データが好ましくないため、$G^* \to t\bar{t}$ 衰えに限定された先行研究の限界を克服すること。
• $\psi$ を標準模型フェルミオン、$\chi$ を重いフェルミオンとする $G^* \to \psi\chi$ 衰え経路を活用し、信号の可視性を向上させること。
• 信号成分解析を通じてトップクォークの複合性度の情報を抽出すること。
• 半レプトン的 $Wtb$ 終状態を用いた初期LHC段階での $G^*$ および重いフェルミオンの両方の発見可能性を示すこと。

提案手法

• 2サイト複合ヒッグス模型を用いて、$\sqrt{s} = 14$ TeV および $\sqrt{s} = 7$ TeV での $G^*$ および重いフェルミオン生成をシミュレートする。
• $t$ を標準模型トップクォーク、$b$ を重いボトムパートナー ($B/\tilde{B}$) とする $G^* \to Wtb$ 衰え経路に注目し、$W$ はレプトン的崩壊とする。
• 運動量的カットを適用：少なくとも3本のジェット（2本のbジェット）、$p_T > 20$ GeV のレプトン、$|\eta| < 2.5$、ジェットとレプトン間で $\Delta R > 0.4$。
• 欠落横断運動量からニュートリノの3次元運動量を再構築し、トップ崩壊の整合性を満たす $M_{l\nu b} \approx 174$ GeV の解を選択する。
• $W$ ボソンおよびトップクォークを、不変質量が174 GeVに最も近い $Wb$ 対から再構築し、$M_{\text{all}}$、$M_{Wb}$、$M_{Wt}$ の分布を計算する。
• 散布図 $M_{\text{all}}$ 対 $M_{Wb}$、$M_{\text{all}}$ 対 $M_{Wt}$、$M_{Wb}$ 対 $M_{Wt}$ を用いて、特に高エネルギー領域で信号とバックグラウンドを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期LHCにおける重いグルーオンおよびトップ/ボトム励起状態の探索に、$G^* \to Wtb$ 衰え経路が有効な発見経路となるか。
• RQ2 重いフェルミオン共鳴状態が存在する場合、$G^* \to t\bar{t}$ のみに依存する場合と比較して、信号とバックグラウンドの分離がどの程度向上するか。
• RQ3 $Wtb$ 終状態における $G^*$ および重いフェルミオンの $5\sigma$ 発見に必要な統合 luminosity はどの程度か。
• RQ4 $G^* \to t\bar{t}$ 衰えからの信号成分が、トップクォークの複合性度の情報抽出にどの程度寄与するか。
• RQ5 保守的な $p_T$ カットが $Wtb$ 経路における信号可視性およびバックグラウンド抑制に与える影響は。

主な発見

• $G^* \to Wtb$ 衰え経路により、$\sqrt{s} = 14$ TeV で統合 luminosity 188 pb$^{-1}$ のみで $G^*$ の発見が 2 TeV まで可能である。
• $M_{G^*} = 1.5$ TeV の場合、$\sqrt{s} = 7$ TeV で 0.30 fb$^{-1}$ の luminosity で $5\sigma$ 発見が可能であり、初期LHC段階での感度が示された。
• $\sqrt{s} = 7$ TeV で $M_{G^*} = 2$ TeV の場合、信号対バックグラウンド比は8.6以上に達し、明確な識別性を示した。
• $M_{\text{all}}$ 対 $M_{Wb}$ および $M_{\text{all}}$ 対 $M_{Wt}$ の散布図は、信号とバックグラウンドを効果的に分離し、バックグラウンドは低不変質量に集中している。
• $G^* \to t\bar{t}$ 衰えからの信号成分は、$M_{Wb}$ 分布に測定可能なピークを形成し、トップクォークの複合性度の抽出が可能である。
• $M_{G^*} = 3$ TeV の場合、$\sqrt{s} = 14$ TeV で $5\sigma$ 発見には 2.7 fb$^{-1}$ 必要であり、$M_{G^*} = 4$ TeV の場合には 42 fb$^{-1}$ 必要である。これは、より高い質量領域でも本手法が有効であることを示している。