[論文レビュー] Di-jet resonances at future hadron colliders: A Snowmass whitepaper

G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 21

ひとこと要約

このSnowmass白書は、14 TeV、33 TeV、100 TeVの陽子-陽子衝突機における$Z'_{B}$およびカラーロン（$G'$）モデルからの二ジェット共鳴状態の発見可能性と除外感度を評価する。MadGraph、Pythia、PGSを用いたモンテカルロシミュレーションの結果、3 ab⁻¹のフルエンスで100 TeV衝突機では、$g_B \sim 0.35$および$\tan\theta \sim 0.045$という非常に弱い結合に対しても、$Z'_{B}$共鳴状態を最大11.5 TeVまで、カラーロンを最大16 TeVまで発見可能であり、現在の探査範囲を顕著に拡張することが示された。

ABSTRACT

I investigate the sensitivity of future hadron colliders to di-jet resonances arising from Z' or coloron models. The projected discovery potential and exclusion limits for these resonances is presented in the coupling vs. mass plane, which highlights both the increased mass reach from higher energy machines as well as the improved coupling sensivity from larger luminosity.

研究の動機と目的

• 将来のハドロン衝突機における$Z'_{B}$およびカラーロンモデルに起因する二ジェット共鳴状態の発見可能性と除外感度を評価すること。
• 中心エネルギー（$\sqrt{s}$）の上昇とフルエンスの増加に伴う質量および結合感度の向上を定量すること。
• 異なる衝突機エネルギーとフルエンスにおける将来の実験的探査範囲を比較可能な統一的なフレームワーク（結合–質量平面）を提供すること。
• 高エネルギー衝突機における感度を維持するために、低マルチジェットトリガースレッショルドの重要性を強調すること。

提案手法

• 信号およびQCDバックグラウンドイベントは、CTEQ6L1の部分子分布関数を用いたMadGraph 5 v1.5.7で生成された。
• パートンシャワイングおよびハドロン化はPythia v6.4.20を用いてシミュレートされ、その後PGS v4を用いた基本的な検出器シミュレーションが実施された。
• QCDバックグラウンドは、MLMスキームを用いて2ジェットおよび3ジェットのマッチドサンプルとしてモデル化され、バックグラウンド生成のための主要ジェット$p_T$の運動量領域に分けて設定された。
• イベントはFastJet v3.0.2を用い、反-$k_T$アルゴリズムと$R=0.5$を用いてクラスタリングされた。
• 信号ピークの分離のために、二ジェット質量スペクトルにクリスタルボール関数フィットを用いたバンプハンティングが実施された。
• 統計的有意度は$\sigma = N_S / \sqrt{N_S + N_B}$として計算され、$5\sigma$の発見基準および95%信頼水準の除外限界が決定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeV、33 TeV、100 TeVの中心エネルギーを持つ将来のハドロン衝突機において、$\sqrt{s} = 14$, 33, 100 TeVの条件下で$Z'_{B}$共鳴状態の結合–質量平面における予想される発見範囲は何か？
• RQ2 300 fb⁻¹から3 ab⁻¹への統合フルエンスの増加は、LHCおよびそれ以上のエネルギーの衝突機における二ジェット共鳴状態の感度にどのように寄与するか？
• RQ3 より高い中心エネルギーは、現在のLHCと比較してカラーロン共鳴状態の質量探査範囲をどの程度向上させるか？
• RQ4 マルチジェットトリガースレッショルドは低質量感度にどのように影響するか？また、それらを下げる効果は何か？
• RQ5 3 ab⁻¹の統合フルエンスを有する将来の衝突機において、$Z'_{B}$およびカラーロンモデルの結合感度はどの程度の水準に達するか？

主な発見

• 100 TeV衝突機に3 ab⁻¹のフルエンスを適用した場合、$Z'_{B}$の発見範囲は11.5 TeVまで、除外範囲は13 TeVまで拡大する。
• $Z'_{B}$に関しては、100 TeVで3 ab⁻¹のフルエンスを有する場合、発見感度が$g_B \sim 0.35$まで向上し、除外感度は$g_B \sim 0.2$まで向上する。
• 100 TeV衝突機に3 ab⁻¹のフルエンスを適用した場合、カラーロン共鳴状態は16 TeVまでの発見が可能で、18 TeVまでの除外が可能となる。
• 14 TeV LHCに300 fb⁻¹のフルエンスを適用した場合、$Z'_{B}$共鳴状態は最大4.5 TeVまで発見可能で、5.3 TeVまで除外可能となる。
• カラーロンに関しては、14 TeV LHCに300 fb⁻¹のフルエンスを適用した場合、6.5 TeVまでの発見可能性と7.5 TeVまでの除外感度が得られる。
• 100 TeV衝突機に3 ab⁻¹のフルエンスを適用した場合の感度は、$Z'_{B}$およびカラーロンモデルの両方において、14 TeV LHCのそれよりも質量探査範囲で3〜4倍、結合感度で2〜3倍向上する。