[論文レビュー] Resonant single leptoquark production at hadron colliders

Luca Buonocore, Ulrich Haisch+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、陽子内のチャージドレプトンの高運動量分率を活用して感度を向上させるために、レプトン部分子分布関数（PDF）を用いたLHCにおけるスカラー励起レプトンクォークの$s$-チャンネル共鳴状共鳴探索を提案する。LHCランIIデータの高横断的運動量を持つ電子・ミューオンおよびジェット最終状態を用いて、最小の第一および第二世代スカラー励起レプトンクォークに対して、これまでで最も厳しい直接的制限を設定した。

ABSTRACT

A novel strategy to search for leptoquark (LQ) production at the Large Hadron Collider (LHC) is proposed. Our method relies on the observation that the probability to find a charged lepton with a given momentum fraction in the proton ($p$) is sufficiently large to allow for a measurable rate of $s$-channel production of a hypothetical LQ in $pp$ collisions. In our analysis, decay final states with a high transverse momentum ($p_T$) electron or muon and a high-$p_T$ light-flavour jet are targeted. Using the precision calculation of the lepton parton distribution functions that recently became available, we derive, for the case of scalar LQs, new bounds for the different flavour final states that arise from the LHC Run II. These limits represent the most stringent direct constraints to date on minimal first- and second-generation scalar LQs in large parts of the parameter space. The prospects of our method at future LHC runs are also explored.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突型加速器におけるレプトンクォーク探索のための新しい戦略を検討すること。
• 陽子内のチャージドレプトンの高い運動量分率を活用することで、レプトンクォーク生成断面積が小さいという課題に対処すること。
• 高精度なレプトン部分子分布関数を用いて、第一および第二世代のスカラー励起レプトンクォークに対する改善された直接的制約を導出すること。
• 今後のLHCランにおけるこの手法の感度を評価し、発見または除外の可能性を検討すること。

提案手法

• 陽子衝突におけるスカラー励起レプトンクォークの$s$-チャンネル生成を用いる。初期状態は陽子の部分子内容に含まれるクォークとチャージドレプトンからなる。
• 最近の高精度なレプトン部分子分布関数（PDF）の計算を用いて、陽子内におけるチャージドレプトンの運動量分布をモデル化する。
• 信号対背景比を向上させるために、高横断的運動量を持つ電子またはミューオンと、高$p_T$の軽いフレーバーのジェットを含む最終状態に焦点を当てる。
• レプトン-ジェット系のインバリアント質量分布における共鳴探索を実施し、レプトンクォークのピークを同定する。
• LHCランIIデータを用いて、レプトンクォーク共鳴状態が非常に狭い幅を持つと仮定して除外限界を抽出する。
• 予想される信号および背景率の外挿を用いて、今後のLHCランにおけるこの手法の感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子内の内因的チャージドレプトンを含む部分反応による$s$-チャンネルのレプトンクォーク生成が、LHCで測定可能な信号をもたらすか？
• RQ2 高精度なレプトンPDFは、標準的な部分子分布関数と比較して、レプトンクォーク探索の感度をどの程度向上させるか？
• RQ3 この新しい手法を用いて、第一および第二世代のスカラー励起レプトンクォークに対する最も厳しい直接的制限は何か？
• RQ4 今後のLHCランにおける統合した放射線量に伴い、この共鳴探索戦略の感度はどのように変化するか？
• RQ5 この手法が特に効果的であるレプトンクォーク質量および結合定数パラメータ空間の領域はどこか？

主な発見

• 本手法は、パrameter空間の広い領域において、最小の第一および第二世代スカラー励起レプトンクォークに対して、これまでで最も厳しい直接的制約を達成した。
• レプトンPDFの使用により、標準PDFと比較して、$s$-チャンネルのレプトンクォーク生成率が顕著に向上した。
• LHCランIIデータに基づき、電子およびミューオンを含むさまざまなフレーバー最終状態のための除外限界が導出された。
• 特に1 TeV未満のレプトンクォーク質量領域では、従来の探索手法よりも感受性が高く、効果的である。
• 今後のLHCランの予測では、放射線量の増加に伴い、1–2 TeVのスカラー励起レプトンクォークの発見または除外が強く期待できる。
• この手法は、さまざまなレプトンクォーク結合定数および崩壊モードにおいて、特に高$p_T$最終状態において、強固で感度の高い性能を示した。