[論文レビュー] Model-independent limits for anomalous triple gauge bosons $W^+W^-γ$ coupling at the CLIC

A. A. Billur, M. Köksal+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、中心エネルギーエネルギー 0.38、1.5、3 TeV における光度 1、2.5、5 ab$^{-1}$ の条件下で、$\gamma\gamma$、$\gamma\gamma^*$、$\gamma^{*}\gamma^{*}$ 衝突を介した $\gamma\gamma \to W^+W^-$、$e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$、$e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$ の過程を通じ、コンパクト線形衝突型加速器（CLIC）が異常な $W^+W^-γ$ 耦合に感度を示すことを調査する。CLIC は、$\Delta\kappa_\gamma$ および $\lambda_\gamma$ について $10^{-5}$ から $10^{-4}$ のレベルでモデルに依存しない制限を達成し、LHC や以前の衝突型加速器をはるかに上回るオーダーで優れた性能を示す。

ABSTRACT

We investigate the potential of the Compact Linear Collider (CLIC) to probe the anomalous $W^+W^-γ$ coupling in $γγ$, $γγ^*$ and $γ^*γ^*$ collisions through the processes $γγ ightarrow W^+ W^-$, $e^+ γ ightarrow e^+ γ^{*} γ ightarrow e^+ W^- W^+$ and $e^+ e^- ightarrow e^+ γ^{*} γ^{*} e^- ightarrow e^+ W^- W^+ e^-$. We perform leptonic, semi-leptonic and hadronic decays channels for $W^+W^-$ production in the final state. Taking ${\cal L}=1\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=0.380\hspace{0.8mm}{ m TeV}$, ${\cal L}=2.5\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=1.5\hspace{0.8mm}{ m TeV}$ and ${\cal L}=5\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=3\hspace{0.8mm}{ m TeV}$, based on future CLIC data, the limits for $Δκ_γ$ and $λ_γ$ might reach up to ${\cal O}(10^{-5}-10^{-4})$ level in the most ideal with 5\hspace{0.8mm}${ m ab^{-1}}$ set data, which shows a potential advantage compared to those from LHC, Tevatron and LEP data. Thus, our results represent that the processes $γγ ightarrow W^+ W^-$, $e^+ γ ightarrow e^+ γ^{*} γ ightarrow e^+ W^- W^+$ and $e^+ e^- ightarrow e^+ γ^{*} γ^{*} e^- ightarrow e^+ W^- W^+ e^-$ at the CLIC are a very good prospect for probing the anomalous $W^+W^-γ$ couplings.

研究の動機と目的

• モデルに依存しない枠組みにおいて、コンパクト線形衝突型加速器（CLIC）が異常な三重ゲージボソンカップリング（aTGC） $W^+W^-γ$ に感度を示すかどうかを評価すること。
• $\gamma\gamma$、$\gamma\gamma^*$、$\gamma^{*}\gamma^{*}$ 衝突モードが CLIC で $\gamma\gamma \to W^+W^-$、$e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$、$e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$ の過程を通じて $W^+W^-$ 対生成をどのように探査できるかを評価すること。
• CLIC の3つのエネルギー段階（0.38、1.5、3 TeV）における精度の到達範囲を、LHC、テバトロン、LEP からの既存の実験的制限と比較すること。
• レプトン性、半レプトン性、ハドロン性の異なる $W^+W^-$ 衰え方の組み合わせが $\Delta\kappa_\gamma$ および $\lambda_\gamma$ への感度に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 異常な $W^+W^-γ$ カップリングを $\Delta\kappa_\gamma$ および $\lambda_\gamma$ でパラメータライズする、次元6のゲージ不変な有効場理論（EFT）を用いる。
• CLIC における $\gamma\gamma$、$\gamma\gamma^*$、$\gamma^{*}\gamma^{*}$ 衝突のモンテカルロシミュレーションを実施し、完全なイベント再構築と検出器効果を含める。
• レプトン性、半レプトン性、ハドロン性の $W^+W^-$ 衰え方における $W^+W^-$ 生成の解析を通じて、異常カップリングへの感度を最適化する。
• 現実的な実験的条件下での制限の堅牢性を評価するため、系統的不確かさのスキャン（$\delta_{\text{sys}} = 0, 3, 5\%$）を実施する。
• 異なる光度およびエネルギー設定における信号の有意水準と95%信頼水準での期待される制限を比較する。
• $\gamma\gamma \to W^+W^-$ における $t$-チャネルおよび $u$-チャネルのダイアグラムを用いて、$W^+W^-Z$ カップリングからの $W^+W^-γ$ 頂点寄与を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLIC は、異なるエネルギーおよび光度の段階において、$\gamma\gamma$、$\gamma\gamma^*$、$\gamma^{*}\gamma^{*}$ 衝突を用いて、異常な $W^+W^-γ$ カップリングにどの程度感度を示すか？
• RQ2 CLIC が得る $\Delta\kappa_\gamma$ および $\lambda_\gamma$ の制限は、LHC、テバトロン、LEP の実験結果と比べてどの程度か？
• RQ3 CLIC において、$W^+W^-$ 衰え方としてレプトン性、半レプトン性、ハドロン性のうち、どのタイプが異常カップリングへの感度において最も優れているか？
• RQ4 系統的不確かさが 0%、3%、5% の場合、CLIC における $\Delta\kappa_\gamma$ および $\lambda_\gamma$ の制限の精度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 CLIC は、$\Delta\kappa_\gamma$ および $\lambda_\gamma$ について、現在の実験的境界を3桁以上も上回る精度に到達できるか？

主な発見

• $\sqrt{s} = 3$ TeV および $\mathcal{L} = 5$ ab$^{-1}$ の条件下で、CLIC はハドロン性衰えモードにおける $\gamma\gamma \to W^+W^-$ を通じて、95%信頼水準で $\Delta\kappa_\gamma = [-7, 7] \times 10^{-5}$ の制限を達成する。
• $e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$ の過程において、CLIC は95%信頼水準で $\lambda_\gamma = [-0.13, 3.40] \times 10^{-3}$ の制限に到達し、$\lambda_\gamma$ に対して高い感度を示す。
• $e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$ モードでは、95%信頼水準で $\Delta\kappa_\gamma = [-4.8, 4.9] \times 10^{-4}$ の制限が得られ、$\Delta\kappa_\gamma$ に対して強い感度を示す。
• CLIC の高エネルギー段階（1.5および3 TeV）は、$\lambda_\gamma$ および $\Delta\kappa_\gamma$ への感度において、低エネルギー加速器をはるかに上回る性能を示す。
• 系統的不確かさが最大5%まである場合でも、CLIC は $\Delta\kappa_\gamma$ において $10^{-4}$ 未満の精度、$\lambda_\gamma$ において $10^{-3}$ の精度を維持し、制限の堅牢性を確認する。
• CLIC が得る $\Delta\kappa_\gamma$ および $\lambda_\gamma$ の制限は、ATLAS、CMS、CDF、D0、LEP の結果を $\mathcal{O}(10^{-3} - 10^{-2})$ のオーダーで上回り、異常カップリングの精密な探査において優位性を確立する。