[論文レビュー] Observing nonstandard $W'$ and $Z'$ through the third generation and Higgs lens

Lisa Edelhäuser, Alexander Knochel|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、第三世代フェルミオンが新しいゲージボソンに強く結合する、ファミリー非ユニフォーマルな $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ モデルにおいて、LHCにおける重い $W'$ および $Z'$ ボソンの探索を再解釈する。第三世代の崩壊チャンネルが除外限界において競争力を持つことが示され、しかし幅効果が感受性を著しく低下させること、またヒッグス・ストラーレーション探索（$Vh$ 生産）が、特に $p_T^{V}$ および $m_{bb}$ カットを最適化することで、$V'$ の質量に対して強い制約を与えることが分かった。

ABSTRACT

We reinterpret $W'$, $Z'$ and Higgs searches at the LHC in terms of a model with nonuniversal $V'$ couplings to fermions in order to gauge how well these searches can be applied outside the (simplified) scenarios for which they were optimized. In particular, we consider bounds from $V'$ searches in final states $ττ$, $eν$, $ll$ and $t b$, and discuss the impact of width effects. We then show that decays of the type $V' ightarrow V h$ yield additional bounds on the heavy vector masses and, in the case of a discovery, provide an important probe of the heavy sector. Finally, we match the low energy limit of the model to an effective theory and compare the bounds on the resulting dimension-6 operators with the direct searches discussed in this paper.

研究の動機と目的

• 標準模型に従わないシーケンシャルでないSMの枠組みにおける $W'$ および $Z'$ 探索の感受性を評価すること、特にフェルミオンへの非ユニフォーマルな結合を持つモデルにおいて。
• 第三世代への結合が強化されることで生じる $W'$ および $Z'$ の崩壊幅の変化と、その形状ベースおよびシングル・ビン解析における除外限界への影響を評価すること。
• 重いヒッグス状態が利用できない場合でも、$V^\prime h$ 連関生成が $V^\prime$ の質量および結合定数のプローブとして有効であるかを検討すること。
• 有効場理論（EFT）のオペレーター、特に $\mathcal{O}_W$ を用いた低エネルギー極限における制約と、直接的なLHC探索結果を比較すること。
• モデル依存の干渉項および幅効果が、特に $W' \to tb$ および $Z' \to \tau\tau$ チャンネルにおいて、標準的な探索戦略の到達域をどのように変化させるかを定量化すること。

提案手法

• 非ユニフォーマルな結合を持つ $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ モデルの文脈において、ATLASおよびCMSの $W' \to tb$、$W' \to \ell\nu$、$Z' \to t\bar{t}$、$Z' \to ll$、$Z' \to \tau\tau$ 探索を再解釈する。
• 文献[9]および[10]の $M_T^{\text{min}}$ ベースのシングル・ビン解析を適用し、幅効果を数値シミュレーションを用いて考慮して、受容率および除外能力を推定する。
• 既存のヒッグス探索データ（$pp \to Vh \to b\bar{b} + 0l,1l,2l$）を再利用し、$V' \to Vh$ 崩壊に対する制約を導出する。ここで $g_{V'Vh} \propto s_E^2 - s_\beta^2$ が重要な結合関係として用いられる。
• 特にブーストされたヒッグスボソンの状態において感度を向上させるために、最適化された運動量カット（$p_T^V$ および $m_{bb}$）を実装する。
• モデルの低エネルギー極限を有効場理論（EFT）に一致させ、$\mathcal{O}_W$ のような次元6オペレーターのウィルスン係数を特定する。
• 直接的なLHC制約とEFTに基づく制約を比較し、$g_1, g_2 < 1$ の領域において、直接探索がEFT感受性を上回る状況を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファミリー非ユニフォーマルな $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ モデルにおいて、第三世代への結合が強化されることで、LHCの $W'$ および $Z'$ 探索の感受性は、シーケンシャルなSMのケースと比べてどのように変化するか？
• RQ2 $V' \to \text{フェルミオン}$ 崩壊に起因する幅効果が、形状ベースおよびシングル・ビン解析から得られる除外限界にどれほど歪められるか？
• RQ3 重いヒッグス系が利用できない場合でも、ヒッグス探索の最終状態における $V^\prime h$ 連関生成が、$V^\prime$ の質量に対して競争力のある制約を提供できるか？
• RQ4 モデルの低エネルギー極限において、直接的なLHC探索の感受性と、$\mathcal{O}_W$ のような次元6オペレーターに対するEFTベースの制約とを比較すると、どのような関係にあるか？
• RQ5 どのパrameter領域において $V^\prime \to Vh$ 崩壊チャンネルが、重いベクトル場の主要なプローブとして顕著になり、そしてどのように最適化できるか？

主な発見

• 対象となる $\cot_E > 1$ の場合、$W' \to tb$ や $Z' \to \tau\tau$ のような第三世代崩壊チャンネルが、幅が大きいにもかかわらず、標準的な $W'$ および $Z'$ 探索と同等の感受性を示す。
• 幅効果により、形状ベースの解析において除外能力が $O(100)$ GeV 過大評価される可能性があり、標準的な限界の信頼性が著しく低下する。
• $Z' \to \tau\tau$ の $M_T^{\text{min}}$ ベースのシングル・ビン探索は、単一トップ生成との干渉を含めた場合、$\sim 200$ GeV の弱い制限を与えるより頑健な受容率推定を提供する。
• ヒッグス・ストラーレーション探索（$pp \to Vh$）は、最適化されていないカットを用いる場合、$M_{W'}^\prime = M_{Z'}^\prime > 1300$ GeV の下限を得る。これは $|c_W| < 0.0038$ に相当する。
• 各質量仮説に対して $p_T^V$ および $m_{bb}$ カットを最適化することで、特にブーストされたヒッグス領域において感度を顕著に向上させることができる。
• 弱結合領域（$g_1, g_2 < 1$）では、直接探索がEFTベースの制約を上回る感受性を示すが、$\cot_E > 1$ の場合、直接探索の感受性は低下する一方で、EFTのウィルスン係数は安定したまま保たれる。