[論文レビュー] Sensitivity to the Single Production of Vector-Like Quarks at an Upgraded Large Hadron Collider

T. Andeen, C. Bernard+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、電弱相互作用を通じたベクトル励起クォーク（VLQ）の単一生成に対するアップグレードされた大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の感度を評価し、VLQとトップクォークの間の大きな混合を有するコンposite ヒッグスモデルに焦点を当てる。中心エネルギーオーバーラップ 14、33、100 TeV および異なるパイルアップレベルでのモンテカルロシミュレーションを用いて、高輝度条件下では tZ チャネルで約 1.2 TeV、H_T チャネルで約 1.0 TeV の VLQ 質量まで探査可能であることが判明した。これは、標準模型を越える新しい物理を探査するための単一生成の可能性を示している。

ABSTRACT

In this note we consider the sensitivity of the Large Hadron Collider (LHC) to the single production of new heavy vector-like quarks. We consider a model with large mixing with the standard model top quark with electroweak production of single heavy top quarks. We consider center of mass energies of 14, 33, and 100 TeV with various pileup scenarios and present the expected sensitivity and exclusion limits.

研究の動機と目的

• アップグレードされた LHC が電弱相互作用を通じたベクトル励起クォーク（VLQ）の単一生成に対して示す感度を評価すること。
• VLQ の素粒子的性質を、VLQ とトップクォークの間の大きな混合を有するコンポジット ヒッグスフレームワークでモデル化すること。
• 複数の中心エネルギーオーバーラップ（14、33、100 TeV）およびパイルアップシナリオにおける予想される発見限界と除外限界を評価すること。
• 主な崩壊チャンネル2つ（tZ チャネルと H_T チャネル）における信号とバックグラウンドの収率を比較すること。

提案手法

• VLQ 及びその結合を記述するため、SO(5) コンポジット ヒッグスとねじれた余剰次元に基づく二地点有効場理論モデルを用いる。
• 基本フェルミオンとコンポジット フェルミオンの混合を対角化するための場の回転を適用し、SM クォークおよび弱ボソンへの有効結合を導出する。
• 中心エネルギーオーバーラップ 14、33、100 TeV で、0、50、140 のパイルアップ相互作用を想定して、信号およびバックグラウンド過程のモンテカルロ シミュレーションを実施する。
• 反-k_t ジェット（R=0.5）、b-タグギング、レプトン識別、および W ボソン質量制約を用いたみちびきによる横断的運動量（MET）再構築を実装する。
• 運動学的カットを適用：H_T > 750 GeV、3つの b ジェット、2つの前方ジェット（|η| > 3.0）、および H_T チャネルにおけるトップクォーク質量再構築。
• tZ チャネルでは、Z ボソン質量に近い同一フレーバーのレプトン対（±10 GeV）を持つ3レプトンイベントを抽出し、第3のレプトンと b ジェットからトップクォークを再構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アップグレードされた LHC が 14、33、100 TeV の中心エネルギーオーバーラップにおけるベクトル励起クォークの単一生成に対して、どの程度の感度を示すか？
• RQ2 パイルアップ（0、50、140 交互作用）が信号対バックグラウンドの識別性能および発見領域に与える影響は？
• RQ3 高輝度条件下での tZ チャネルおよび H_T チャネルにおけるベクトル励起クォーク質量の除外限界は？
• RQ4 コンポジット ヒッグスモデルからの有効結合が、VLQ の生成および崩壊率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 100 TeV の中心エネルギーオーバーラップおよび 140 のパイルアップ相互作用条件下で、tZ チャネルにおける LHC は、VLQ 質量が 1.2 TeV までで約 5σ の発見意義を達成する。
• H_T チャネルでは、100 TeV および 140 のパイルアップ条件下で、同様の輝度条件下で VLQ 質量が約 1.0 TeV まで探査可能である。
• 33 TeV の中心エネルギーオーバーラップでは、tZ チャネルで 140 のパイルアップ条件下で、VLQ 質量が約 800 GeV の周辺で予想される意義が約 3σ に達する。
• 両チャネルにおける主要なバックグラウンドは、SM の t\bar{t} 生産であり、tZ チャネルでは二ボソンおよび t\bar{t}+V 生成も顕著に寄与する。
• H_T > 750 GeV、b ジェット識別、前方ジェットタグギング（|η| > 3.0）を含む運動学的カットにより、信号効率とバックグラウンド抑制が向上する。
• W ボソン質量制約を用いたイベント再構築により、ニュートリノの運動量の不確実性が解消され、両チャネルにおけるトップクォーク候補の分解能が向上する。