[論文レビュー] Leptophobic boson signals with leptons, jets and missing energy

Bogdan A. Dobrescu|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、レプトンと結合しないレプトファビック $Z^\prime$ ボソン—レプトンと結合しないゲージボソン—が、ゲージ異常をキャンセルするために必要となる新しいフェルミオン（アナマロン）を経由したカスケード崩壊によって、LHCで検出可能な信号を生成できることを提案している。これらの崩壊は、レプトン、ジェット、および運動量の欠損を伴う最終状態を生じさせ、CMSおよびATLASの過剰信号を説明する可能性を秘めた新しい物理の有効なシグネチャを提供する。

ABSTRACT

Color-singlet gauge bosons with renormalizable couplings to quarks but not to leptons must interact with additional fermions ("anomalons") required to cancel the gauge anomalies. Analyzing the decays of such leptophobic bosons into anomalons, I show that they produce final states involving leptons at the LHC. Resonant production of a flavor-universal leptophobic $Z'$ boson leads to cascade decays via anomalons, whose signatures include a leptonically decaying $Z$, missing energy and several jets. A $Z'$ boson that couples to the right-handed quarks of the first and second generations undergoes cascade decays that violate lepton universality and include signals with two leptons and jets, or with a Higgs boson, a lepton, a $W$ and missing energy.

研究の動機と目的

• レプトンと直接結合しないが、カスケード崩壊を通じてレプトンを多く含む最終状態を生成するレプトファビック $Z^\prime$ ボソンのコライダー・シグネチャを調査すること。
• ゲージ異常をキャンセルするためのアナマロンを含む、具体的には $U(1)_B$ および $U(1)_{R12}$ のような、標準模型制約と整合的である $U(1)$ ゲージモデルを同定すること。
• CMSおよびATLASの観測された過剰信号（例：ATLASの $Z+\slashed{E}_T+\text{ジェット}$ およびCMSの $eejj$、$e\nu jj$）が、これらの $Z^\prime$ ボソンがアナマロンを経由して崩壊する可能性のあるシグネチャとして説明できるかどうかを検討すること。
• 特にフラバー変換中性荷電および $b$-クォークのタギングに関連するLHC制約下での、これらのモデルの物性的妥当性を評価すること。

提案手法

• レプトンと結合しないがクォークと結合するレプトファビック $Z^\prime$ ボソンを有する $U(1)$ ゲージモデルを構築し、新しいベクトルレプトン的フェルミオン（アナマロン）を用いてゲージ異常をキャンセルする。
• カスケード崩壊チェーンを分析：$Z^\prime \to \text{アナマロン対} \to Z/W/H + \text{他のフェルミオン} + \slashed{E}_T$ であり、最終状態として $Z^\ell\ell$、$W\ell\slashed{E}_T$、または $h^0\to b\bar{b}$ を含む。
• LHCにおけるLOレベルでの $Z^\prime$ 生成断面積を計算（例：$M_{Z^\prime}=2$ TeV の場合、8 TeV で約140 fb）。主要崩壊モードの分支比も算出。
• CMSおよびATLASの実験データを用い、予測された信号率（例：$(Je)(Je)$ で約7 fb、$h^0W\to b\bar{b}e\nu$ で約2イベント）を観測された過剰信号と比較。
• $b$-タギングおよびジェットのマージング技術を用いて、$b\bar{b}$ を多く含む最終状態を識別し、特にブーストされたヒッグス崩壊の背景を低減。
• Run II（13 TeV）LHCデータにおける信号対背景比および妥当性を評価し、特に $Z^\prime_{R12}$ が $h^0eW\nu$ に崩壊する場合（$B \approx 0.91\%$）を想定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトンと結合しないレプトファビック $Z^\prime$ ボソンが、LHCで検出可能なレプトンを多く含む最終状態を生成できるか？
• RQ2 ゲージ異常をアナマロンを介してキャンセルする、物性的に妥当なレプトファビック $Z^\prime$ ボソンを有する $U(1)$ ゲージモデルは何か？
• RQ3 レプトファビック $Z^\prime_{R12}$ モデルが、電荷を帯びたアナマロンと $W$ ボソンを介したカスケード崩壊を通じて、CMSの $eejj$ および $e\nu jj$ 過剰信号を説明できるか？
• RQ4 $Z^\prime_{R12}$ が $h^0eW\nu$ に崩壊する場合の期待される信号率と背景は何か？また、Run IIでテスト可能か？
• RQ5 $b$-タギングおよびジェットのマージング技術は、これらのモデルにおける $b\bar{b}$ を多く含む信号をQCD背景からどのように区別するのを助けるか？

主な発見

• $U(1)_B$ 対称性を有する $Z^\prime_{B}$ モデルは、カスケード崩壊によってレプトンを含む $Z$ の崩壊、運動量の欠損、およびジェットを生成し、ATLASの $Z+\slashed{E}_T+\text{ジェット}$ 過剰信号を説明する可能性を秘めている。
• $M_{Z^\prime}=2$ TeV および $g_z \approx 0.5$ の場合、$Z^\prime_{R12}$ モデルは $(Je)(Je)$ 最終状態に対して約7 fbの信号断面積を予測し、20 fb$^{-1}$ のデータでCMSの $eejj$ 過剰信号を説明するのに十分である。
• $Z^\prime_{R12}$ モデルは $Z^\prime_{R12} \to h^0 e W \nu$ 崩壊モードを有し、分支比が $\approx 0.91\%$ に達する。$M_{Z^\prime}=2$ TeV および $g_z \approx 0.5$ の場合、約2イベントの信号が得られる。
• $h^0\to b\bar{b}$、$e$、$\slashed{E}_T$、およびブーストされた $W$ からの広いジェットを伴う $Z^\prime_{R12}$ シグネチャは、1.3–1.7 TeV 範囲で約1.2イベントの背景を持つため、Run IIでテスト可能である。
• $b\bar{b}$ ジェットを含むイベントの割合は $f_1 \approx 45\%$（単一の $b\bar{b}$）および $f_2 \approx 15\%$（マージされた $b\bar{b}$）であり、$b$-タギングが適用されればCMSの観測と整合的である可能性がある。
• $Z^\prime_{R12}$ モデルはレプトンユニバーサルティを破り、$e$-および $\mu$-を多く含む最終状態を非ユニバーサルに説明するため、標準模型の予測とは明確に異なる。