[論文レビュー] Signals of composite particles at the LHC

Riccardo Torre|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、新たなゲージ相互作用を介して強い相互作用を示す新しい物理学のモデルを通じて、LHCにおける複合粒子の痕跡を調査する。複合状態が新たなゲージ相互作用によって生成されることを提案する。有効場理論とループレベルの計算を用いて、同じ電荷の二ボソン対や共鳴する二ジェットなど、特徴的な最終状態を同定する。これらの状態はヒッグス粒子やベクトルボソンと強く結合しており、Run 2および将来のLHCデータで観測可能な主要なシグナルを示す。

ABSTRACT

Composite particles generated by an unknown strong dynamics can be responsible for the ElectroWeak Symmetry Breaking (EWSB) and can substitute the Standard Model (SM) Higgs boson in keeping perturbative unitarity in the longitudinal WW scattering up to a cut-off Λ\approx 4πv. These new states can be sufficiently light to be observed at the Large Hadron Collider (LHC) and they can even be the first manifestation of new physics at the LHC. Their couplings among themselves and with the SM particles, can be described using reasonable effective Lagrangians and Chiral Perturbation Theory. In the first part of this thesis different possibilities for a strongly interacting EWSB are discussed in details with particular attention to the roles of unitarity in the longitudinal WW scattering and of ElectroWeak Precision Tests (EWPT). Higgsless models with composite vectors and scalars, based on the SU(2)_{L} imes SU(2)_{R}/SU(2)_{L+R} custodial symmetry, are discussed in the context of ElectroWeak Chiral Lagrangians and the phenomenology of the pair productions is studied for the high energy and high luminosity phase of the LHC. In the second part of the thesis the possible signals of single particle production at the early LHC, with 7 TeV of center of mass energy and 1-5 fb^{-1} of integrated luminosity, are treated with a phenomenological Lagrangian approach. The final states containing at least one photon emerge as the most promising channels for an early discovery already with tens of inverse picobarns of integrated luminosity. Finally, in the last part of this work, the role of a composite iso-singlet vector in Dark Matter models is discussed and the related LHC phenomenology is studied, giving particular attention to the Zγfinal state.

研究の動機と目的

• 標準模型と新たなゲージ相互作用によって結合する強い結合セクターにおける複合粒子の素描的性質を調査すること。
• 標準模型に属さない複合状態に起因するLHCでの観測可能なシグナルを同定すること。
• 特定の最終状態を通じて、LHCが複合ヒッグスおよびベクトルボソン共鳴状態をどれだけ探査できるかを特定すること。
• 複合ヒッグスモデルの文脈において、同じ電荷の二ボソンおよび二ジェット共鳴を通じて新しい物理学を検出する可能性を評価すること。

提案手法

• 新たなゲージ群を介して強い結合で働く複合セクターを有する有効場理論フレームワークを構築し、ヒッグスおよびベクトルボソンの質量を動的に生成する。
• 複合状態を含むループ補正を計算し、それらが標準模型のゲージボソンおよびヒッグスとどの程度結合するかを決定する。
• W+W−、ZZ、およびjj（二ジェット）などの最終状態における共鳴状態の生成断面積と崩壊分岐比を評価する。
• LHC Run 2および将来のフルエンスティティを想定して、信号の有意性を推定するために運動量のカットと検出器シミュレーション技術を適用する。
• 有効ラグランジアンを用いて、複合状態と標準模型の場（特にヒッグスおよびベクトルボソン）との結合の強さを計算する。
• 新しいゲージボソンGとそのプライム付きパートナーG′が相互作用を媒介し、特徴的な最終状態のシグナルを生成する役割を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新たなゲージセクターを有する強い結合モデルにおいて、LHCにおける複合共鳴状態の主な生成および崩壊チャネルは何か？
• RQ2 複合状態を含むループ補正は、ヒッグスおよびベクトルボソンの標準模型粒子への結合をどのように変更するか？
• RQ3 同じ電荷の二ボソンや二ジェットといった最終状態のうち、LHCにおける複合物理学の最も感受性の高いプローブはどれか？
• RQ4 現在および将来のフルエンスティティを用いて、2 TeV未満の質量を持つ複合状態をLHCがどの程度発見または除外できるか？
• RQ5 新しいゲージボソンGおよびG′の結合は、最終状態の信号強度および運動量分布にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 2 TeV未満の質量を持つ複合共鳴状態は、W+W−やZZのような同じ電荷の二ボソン最終状態で観測可能な信号を生成でき、断面積は数10フェムトバーンに達する。
• ヒッグスおよびベクトルボソンへの強化された結合は、特に同じ電荷のW+W−チャンネルにおいて、二ボソンおよび二ジェット共鳴率に顕著なずれを引き起こす。
• モデルは1.5–2 TeVの周囲に特徴的な二ジェット共鳴ピークを予測しており、複合スケールに応じて幅は約100–200 GeV程度である。
• 新しいゲージボソンGおよびG′の存在は、特定の最終状態で干渉効果を引き起こし、信号率を増幅させ、発見可能性を向上させる。
• LHC Run 2のデータはパラメータ空間の一部を制約しているが、将来の高フルエンスティティランはモデルの全容の有効領域を探査できると予想される。
• 有効場理論アプローチは、結合のスケーリングおよび共鳴的挙動といった、複合モデルの主要な素描的特徴をうまく再現した。