[論文レビュー] Studies of Vector Boson Scattering And Triboson Production with DELPHES Parametrized Fast Simulation for Snowmass 2013

Céline Degrande, Holzbauer, J. L.+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、14、33、100 TeVの陽子-陽子衝突エネルギーレベルにおけるベクトルボソン散乱およびトリボソン生成において、次元6および次元8のオペレーターを効果的場理論(EFT)を用いて調査する高速シミュレーション研究を提示する。次元8オペレーターを探索する際、100 TeVでWWW最終状態のエネルギーブーストが300倍を超えるなど、高 luminosity および高エネルギーで新物理への感受性が著しく向上することを明らかにした。

ABSTRACT

Multiboson production provides a unique way to probe Electroweak Symmetry Breaking (EWSB) and physics beyond the Standard Model (SM). With the discovery of the Higgs boson, the default model is that EWSB occurs according to the Higgs mechanism. Deviations from the SM in Higgs and gauge boson properties due to new physics at a higher energy scale can be parameterized by higher-dimension operators in an Effective Field Theory (EFT). We present sensitivity studies for dimension-6 and dimension-8 operators in an EFT by looking for anomalous vector boson scattering and triboson production, at proton-proton colliders with center-of-mass energies of 14 TeV, 33 TeV and 100 TeV, respectively.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新物理に対するベクトルボソン散乱およびトリボソン生成の感受性を、有効場理論を用いて評価すること。
• 中心座標系エネルギー（14、33、100 TeV）および統合 luminosity（300 fb⁻¹ から 3000 fb⁻¹）が異常結合の探索に与える影響を評価すること。
• 多ボソン最終状態におけるゲージおよびヒッグスボソン結合の変更に寄与する次元6および次元8オペレーターの役割を調査すること。
• 高 luminosity 環境におけるUV境界および積層効果の下での結果の頑健性をテストすること。
• 将来の高エネルギー衝突器探索における最適な最終状態（例：$ZZ\to 4\ell$、$WWW$、$Z\gamma\gamma$）を同定すること。

提案手法

• イベント生成にMadGraph 5.1.5.10を用い、CTEQ6L1 PDFとPythia 6.4を用いてパートンシャワーリングを実施した。
• 高瞬間 luminosity に起因する積層効果を含む、検出器効果をモデル化するため、パラメータ化された高速シミュレーションを用いた修正版DELPHESフレームワークを採用した。
• ゲージおよびローレンツ不変性を保つために、新物理をパラメータライズする有効場理論ラグランジアンに次元6および次元8のオペレーターを組み込んだ。
• QCDおよび$ t\bar{t} $バックグラウンドを低減するために、完全にレプトン最終状態（$ZZ\to 4\ell$、$WZ\to 4\ell$、$WWW\to 4\ell$、$Z\gamma\gamma$）を選択した。
• 前後方ジェット-ジェット質量 >1 TeV という条件を適用して、非VBS寄与を抑制した。
• 次元8オペレーター係数を制約するためのUV境界を適用し、高スケール新物理モデルとの理論的一致性を模擬した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVから100 TeVに衝突エネルギ一を上昇させることで、VBSおよびトリボソン過程における次元6および次元8EFTオペレーターに対する感受性はどのように変化するか？
• RQ2 300 fb⁻¹から3000 fb⁻¹に luminosity を上昇させた際、異なる最終状態および異なるオペレーター種別において、感受性はどの程度向上するか？
• RQ3 次元8オペレーターに課されたUV境界は、高エネルギー衝突器探索における達成可能な感受性にどのように影響するか？
• RQ4 $ZZ\to 4\ell$、$WZ\to 4\ell$、$WWW$、$Z\gamma\gamma$ のうち、どの最終状態が多ボソン生成における新物理への感受性が最も強いのか？
• RQ5 高 luminosity 環境における積層効果は結果にどの程度影響を及ぼし、最終状態ごとにその影響はどのように変化するか？

主な発見

• ZZ→4ℓにおける次元6 ${\cal L}_{\phi W}$ オペレーターに対する感受性は、luminosityを10倍にした場合1.9倍、エネルギーを14 TeVから100 TeVに上げた場合1.8倍に向上した。
• 次元8 ${\cal L}_{T,8}$ オペレーターでは、luminosity上昇で1.9倍、エネルギー上昇で1.8倍の感受性向上を示したが、UV境界を適用すると1.8倍低下した。
• WZ→4ℓでは、次元6 ${\cal L}_{\phi d}$ に対してluminosity上昇で1.9倍、エネルギー上昇で1.2倍の感受性向上。次元8 ${\cal L}_{T,1}$ では、それぞれ1.8倍と2.0倍の向上を示した。
• ssWW→4ℓでは、${\cal L}_{T,1}$ に対する感受性はluminosity上昇で2倍に、エネルギーを14 TeVから100 TeVに上げた場合100倍に向上したが、14 TeVでのUV境界適用により2倍低下した。
• WWW最終状態では、次元8 ${\cal L}_{T,0}$ に対する感受性はエネルギーを14から100 TeVに上げることで300倍に向上したが、UV境界により抑制された。
• Zγγ最終状態では、次元8 ${\cal L}_{M,i}$ オペレーターに対する感受性はluminosity上昇で2–6倍、エネルギー上昇で2–5倍に向上したが、UV境界の影響を強く受けた。