[論文レビュー] Prospects for a Heavy Vector-Like Charge 2/3 Quark T search at the LHC with \sqrt{s}=14 TeV and 33 TeV. "A Snowmass 2013 Whitepaper"

S. Bhattacharya, Jimin George+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、√s = 14 TeVおよび33 TeVの陽子-陽子衝突において、LHCにおける重いベクトル型のトップクォークパートナ―（T）の発見可能性を評価している。マルチレプトンおよびレプトン＋ジェットの最終状態を用い、トップタギングとWタギングを適用してブースト状態のハドロン崩壊を同定し、33 TeV、3 ab⁻¹の流量、140のパイルアップ条件下で、95%信頼水準の除外限界が最大3.4 TeVに達することを示しており、重いTクォークに対して顕著な感度を示している。

ABSTRACT

We present the prospects for the discovery or exclusion of heavy vector-like charge 2/3 quarks, T, in proton-proton collisions at two center-of-mass energies, 14 and 33 TeV at the LHC. In this note, the pair production of T quark and its antiparticle, with decays to W boson and a b quark (Wb), a top quark and the Higgs boson (tH), and a top quark and Z boson (tZ) are investigated. Higgs boson decays to $b\bar b$ and $W^+W^-$ final states are selected for this study.

研究の動機と目的

• 14 TeVおよび33 TeVの中心系エネルギーを用いたLHCにおける、重いベクトル型の電荷+2/3クォーク（T）の発見領域を評価すること。
• Tクォークの対生成が、Wb、tH、およびtZ最終状態に崩壊する場合を調査し、ヒッグス粒子がbb̄またはW⁺W⁻に崩壊する場合を含むこと。
• 単一のレプトン＋ジェットおよびマルチレプトン最終状態を組み合わせたマルチチャネル解析戦略を構築・適用し、感度を向上させること。
• 特に高エネルギーの33 TeV走行における、パイルアップおよび流量の感度への影響を評価すること。
• 95%信頼水準、5σ、3σの有意水準における除外および発見のベンチマーク質量限界を提供すること。

提案手法

• Tクォークの対生成およびWb、tH、tZモードへの崩壊を、MadGraphを用いて信号生成。ヒッグス粒子はbb̄またはW⁺W⁻に崩壊する。
• 標準模型の過程（t̄t、V+jets、Drell-Yan、二ボソン、トップ関連過程など）を、MadGraphおよびPythia6を用いてバックグラウンドをシミュレート。
• デルフェスおよびSnowmassの高速シミュレーションを用いて、検出器効果および再構成効率をモデル化する高速検出器シミュレーション。
• レプトン識別（pT > 30 GeV）、MET > 20 GeV、およびジェット多重度（pTのしきい値：200、90、50 GeV）に基づくイベント選別。
• Cambridge-Aachenクラスタリング（R = 0.8）を用いて、ブースト状態のトップおよびW/Z崩壊を同定するトップタギングおよびWタギング技術の適用。
• bジェット多重度（0、1、2、≥3）およびレプトンのフレーバー（e、μ）に基づくイベントのカテゴリ化により、信号とバックグラウンドの分離を強化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 14 TeVおよび33 TeVのLHC走行において、300 fb⁻¹および3 ab⁻¹の流量条件下で、重いベクトル型Tクォークの期待される発見領域は何か？
• RQ2 パイルアップ（0、50、140）は、異なる最終状態におけるTクォーク対生成の感度にどのように影響するか？
• RQ3 単一のレプトン＋ジェットおよびマルチレプトン最終状態の相対的な感度は、Tクォークの発見においてどの程度か？
• RQ4 異なる崩壊モード（Wb、tH、tZ）は、全体の発見可能性にどのように寄与するか？
• RQ5 2つの中心系エネルギーにおけるTクォーク質量の95%信頼水準の除外限界および5σ発見閾値は何か？

主な発見

• √s = 14 TeV、3 ab⁻¹の流量、140のパイルアップ条件下で、統合解析によりTクォーク質量の95%信頼水準の除外限界は1.78 TeVに達する。
• √s = 14 TeV、3 ab⁻¹、140のパイルアップ条件下で、5σ発見感度は、単一のレプトン＋ジェットおよびマルチレプトンチャネルを統合した解析で1.525 TeVの質量到達域に達する。
• √s = 33 TeV、3 ab⁻¹、140のパイルアップ条件下で、統合解析によりTクォーク質量の5σ発見感度は2.6 TeVに達する。
• 単一のレプトン＋ジェットチャネルは、33 TeVで最も高い感度を示し、5σ発見到達域は2.42 TeVに達する。
• マルチレプトンチャネルは、33 TeV、3 ab⁻¹、140のパイルアップ条件下で、5σ発見到達域が2.25 TeVに達する。
• 統合解析において、√s = 33 TeV、3 ab⁻¹、140のパイルアップ条件下で、Tクォーク質量の95%信頼水準の期待除外限界は3.4 TeVに達する。