[論文レビュー] Dilepton + jet signature of Split-UED at the LHC

Swarup Kumar Majee, Seong Chan Park|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 54被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるスプリット・ユニバーサル・エキストラ・ディメンション（split-UED）モデルにおける新しい物理を探索するための、二重レプトン＋ジェット（$\ell^+\ell^-j$）の署名を提案する。高エネルギーのジェット $p_T^{\text{jet}}$ 切断とインバリアント質量制約を用いることで、$Z_2$ ゲージボソンが直接 $\ell^+\ell^-$ に崩壊する信号は、標準模型（SM）のバックグラウンドから効果的に分離され、約 $100~\text{fb}^{-1}$ の放射線強度で数TeVまでの発見領域が達成可能である。

ABSTRACT

We study the signature of dilepton and a hard jet ($\ell^+\ell^-j$) via heavy new gauge boson production in split universal extra dimension scenario where the Kaluza-Klein parity is conserved but the Kaluza-Klein number is not. A hard cut to the jet energy effectively removes virtually all possible backgrounds and provides a handle to search of new physics involving new neutral heavy states as the Kaluza-Klein $Z$ boson. The signature can be more generically used in search of other new states such as graviton and radion in warped extra dimension models.

研究の動機と目的

• LHCにおけるsplit-UEDモデルにおける新しい物理を、クリアで高い有意性を持つ署名で特定すること。
• 高エネルギー加速器実験における重いゲージボソンの信号と支配的であるSMバックグラウンドを区別する課題に対処すること。
• 高エネルギーのジェット横断運動量を有する $\ell^+\ell^-j$ 終状態が、運動量の欠損と高エネルギーのレプトンが存在しないため、SMバックグラウンドを効果的に抑制できることを示すこと。
• 重い中性状態を有する他のモデル、例えば重力子やラディオンを有するワーブド・エキストラ・ディメンションモデルへのこの署名の適用可能性を拡張すること。
• split-UEDにおける $Z_2$ ゲージボソン生成の今後の詳細な検出器レベルの解析のためのパートンレベルのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 本研究では、split-UEDにおける弱いゲージボソンの第二カルラッツ＝ケイリン励起状態（$\gamma_2$）の生成に注目し、パートンレベルで $pp \to j\ell^+\ell^-$ の過程を分析する。
• SMバックグラウンドを抑制するために、高エネルギーの横断運動量カット（$p_T^{\text{jet}} > 200~\text{GeV}$）を適用する。
• 二重レプトンのインバリアント質量を $\gamma_2$ の質量の90%以上に制限することで、信号純度を向上させる。
• 追加の運動量カットを適用する：レプトンの $|\eta| < 2.5$ およびレプトンとジェット間の $\Delta R > 0.7$ を満たすことで、分離性を確保する。
• SMバックグラウンドはMadGraphを用いて推定され、主に $t\bar{t}$、$b\bar{b}$、$t\bar{b}$、$b\bar{t}$、$Z\gamma^*$、$ZZ$ の過程が寄与する。
• 信号の有意性は、95%信頼区間の基準 $\sigma = \sqrt{S/(S+B)}$ を用いて評価され、発見に必要な放射線強度を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\ell^+\ell^-j$ 終状態は、保存される $\mathbb{Z}_2$ 対称性を持つが、保存されないKK数を有するsplit-UEDにおける新しい物理のクリアな署名として機能できるか？
• RQ2 高エネルギーの $p_T^{\text{jet}}$ および二重レプトンインバリアント質量カットは、このチャンネルにおけるSMバックグラウンドをどの程度抑制できるか？
• RQ3 この署名における $\gamma_2$ ゲージボソンの質量と放射線強度の観点から、達成可能な発見領域はどの程度か？
• RQ4 バルク質量パラメータ $\mu$ は、この終状態における信号断面積および検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 この署名は、重力子やラディオンを有するワーブド・エキストラ・ディメンションモデルなどの、重い中性状態を有する他のモデルへ一般化可能か？

主な発見

• 高エネルギーのジェット $p_T$ およびインバリアント質量カットを用いることで、$t\bar{t}$、$Z$-ジェット、$ZZ$ のプロセスを含むSMバックグラウンドが、運動量の欠損と高エネルギーの最終状態粒子が存在しないため、効果的に抑制される。
• 信号イベントの数はバルク質量パラメータ $\mu$ が増加するにつれて増加する。これは、$\mu$ が大きいほど結合定数が強くなるためであり、$R^{-1}$（つまり $\gamma_2$ の質量が重くなる）に伴い減少する。
• 約 $100~\text{fb}^{-1}$ の統合放射線強度で、バルク質量パラメータに依存して $\gamma_2$ の質量を数TeVまで探査可能である。
• 95%信頼区間での発見に必要な放射線強度は、$\mu$ が増加するにつれて減少し、結合定数が強い場合に感度が向上することが示された。
• 直接 $\ell^+\ell^-$ に崩壊する $\gamma_2$ の生成は、MSSMのようなR対称性保存モデルとは異なり、split-UEDにおいて実現可能で明確な信号である。
• この署名は一般化可能であり、重力子やラディオンを有するワーブド・エキストラ・ディメンションモデルのような、重い中性状態を有する他のモデルに対しても適用可能である。同様の終状態は、共鳴状態の崩壊から生じる。