[論文レビュー] Disentangling between Z' and Z* with first LHC data

M. V. Chizhov|ArXiv.org|Jul 31, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける二レプトン最終状態の角度分布および運動量分布を用いて、キラルなスピン1ボソン（$Z^*$）と$Z'$ゲージボソンを区別する手法を提案している。コリンズ＝ソーパー角度分布に特徴的な「クロワティール型」の形状が見られ、横運動量分布にジャコビアンピークが存在しないことが主な特徴である。$Z^*$ではセンター・エッジ非対称性$A_{CE} = -0.69 \pm 0.10$が得られ、$Z'$の$-0.11 \pm 0.06$とは明確に異なり、初期LHCデータにおいても早期に区別可能である。

ABSTRACT

The resonance production of new chiral spin-1 excited bosons, Z*, and their detection through the Drell-Yan process in the first physical runs at the CERN LHC are considered. The new neutral chiral bosons can be observed as a Breit-Wigner resonance peaks in the invariant dilepton mass distribution in the same way as the well-known hypothetical gauge bosons, Z'. However, unique new signatures of the chiral bosons exist. These signatures could be very important for the interpretation of the first LHC data. First, there is no Jacobian peak in the lepton transverse momentum distribution at the kinematical endpoint of the new resonance. Second, the lepton angular distribution in the Collins-Soper frame for the high on-peak invariant masses of the lepton pairs has a peculiar "swallowtail" shape.

研究の動機と目的

• 初期LHCデータにおいて、キラルなスピン1ボソン（$Z^*$）と$Z'$ゲージボソンを実験的に区別できるシグネチャを同定すること。
• 二レプトンインvariant質量分布における共通の共鳴ピークにより、$Z^*$が$Z'$と誤って識別される問題に対処すること。
• スピンおよびキラル構造に敏感な運動量および角度分布を用いて、早期の区別手法を提供すること。
• コリンズ＝ソーパーフレームにおける二レプトンの角度分布が、$Z^*$ボソンに対して特徴的な「クロワティール型」の形状を示すことを示すこと。
• センター・エッジ非対称性$A_{CE}$を、$Z^*$と$Z'$を5σの有意水準で区別する強固な観測量として定量化すること。

提案手法

• スムージングエネルギー$\sqrt{s} = 10$ TeVにおけるDrell–Yan過程$q\bar{q} \to \ell^+\ell^-$を用いて、$Z^*$および$Z'$ボソンの共鳴生成を解析する。
• キラルボソンのカップリングをテンソルカレントを介してモデル化するため、有効ラグランジアン$\mathcal{L}_{\text{excited}} = \frac{g}{2\sqrt{2}M}(\bar{\ell}\sigma^{\mu\nu}\ell + \bar{d}\sigma^{\mu\nu}d)(\partial_\mu Z^*_\nu - \partial_\nu Z^*_\mu)$を用いる。
• レプトンの横運動量、準垂直度、およびコリンズ＝ソーパー角$\cos\theta^*_{\text{CS}}$に関する微分断面積を計算する。
• 中心領域と端領域の$\cos\theta^*_{\text{CS}}$分布の差として定義されるセンター・エッジ非対称性$A_{CE}$を適用する。
• パートンの運動量非対称性を考慮するために、$d\bar{d}$および$\bar{d}d$の貢献を用いて$Z^*$と$Z'$の分布を比較する。
• 縦方向のブーストが角度分布に与える影響を評価し、$\sqrt{s} = 10$ TeVでは「クロワティール型」の谷が維持されるが、$14$ TeVではブーストにより埋もれることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コリンズ＝ソーパー角度分布における「クロワティール型」の形状は、初期LHCデータにおいてキラル$Z^*$ボソンと$Z'$ゲージボソンを区別できるか？
• RQ2 レプトンの横運動量分布にジャコビアンピークが存在しないことは、$Z^*$ボソンの特徴的なシグネチャとなるか？
• RQ3 二レプトンの準垂直度分布が、$Z^*$ボソンに対して$\eta_\ell = 0$で谷を持つのはどの程度顕著か？これはパートン静止系における禁止発光平面に起因する。
• RQ4 センター・エッジ非対称性$A_{CE}$は$Z^*$と$Z'$でどのように異なり、高信頼度で$Z'$を除外するのに利用できるか？
• RQ5 パートンの運動量非対称性（$x > \bar{x}$）は、$Z^*$および$Z'$のレプトン準垂直度分布にどのような役割を果たすか？

主な発見

• コリンズ＝ソーパー角度分布において、$Z^*$ボソンは$\cos\theta^*_{\text{CS}} = 0$に深いつぶれ（「クロワティール型」の谷）を示すが、$Z'$の分布にはその特徴が見られない。
• $Z^*$のセンター・エッジ非対称性$A_{CE}$は$-0.69 \pm 0.10$であり、$Z'$の$-0.11 \pm 0.06$とは著しく異なり、5σの有意水準で区別可能である。
• レプトンの横運動量分布では、$Z^*$ボソンでは運動量端点にジャコビアンピークが存在せず、$1/\sqrt{1 - \beta^2}$特異性が欠落しているため、$Z'$とは異なる。
• $Z^*$ボソンの準垂直度分布では、パートン静止系における禁止発光平面により$\eta_\ell = 0$に谷が現れるが、$\sqrt{s} = 10$ TeVでは観測可能であり、$14$ TeVではより高いブーストにより抑制される。
• $Z^*$の角度分布はパートンの運動量非対称性にほとんど依存せず、$\bar{x} < x$であっても、$d\bar{d}$および$\bar{d}d$貢献の逆向きのシフトにより対称的形状を示す。
• $A_{CE}$非対称性は頑健であり、初期LHCデータで高信頼度で測定可能であり、$Z'$の除外や$Z^*$の確認に明確なシグネチャを提供する。