[論文レビュー] Study of fermion pair productions at the ILC with center-of-mass energy of 250 GeV

Hiroaki Yamashiro, K. Kawagoe+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ILCの250 GeV中心系エネルギーにおけるフェルミオン対生成を対象とし、$e^+e^- o\ell^+\ell^-$断面積および角度分布の高精度測定を通じて新しい物理を探査する。ILCSoft、WHIZARD、Geant4ベースのMokkaを用いたフルシミュレーションにより、$Z^\prime$ボソンに対して最大4.0 TeV、WIMPsに対して最大330 GeVの3$\sigma$感度を示し、直接検出限界をはるかに超える間接的探査領域を大幅に拡大した。

ABSTRACT

Precise measurements of electroweak processes at the International Linear Collider (ILC) will provide unique opportunities to explore new physics beyond the Standard Model. Fermion pair productions are sensitive to a new contact interaction or a new heavy gauge boson by comparing cross section and angular distribution with expectations of the new physics models. In this proceedings we report a simulation study of fermion pair productions at a center-of-mass energy of 250 GeV, with a focus on lepton pairs, to demonstrate the potential of the first phase of the ILC.

研究の動機と目的

• ILCの250 GeVフェーズが、$e^+e^-\to\ell^+\ell^-$過程の高精度測定を通じて新しい物理を探査する可能性を評価すること。
• 全断面積および微分断面積が$Z^\prime$ボソンやWIMPsなどの新しい物理モデルに与える感度を評価すること。
• 2000 fb$^{-1}$の光度と現実的な検出器応答を想定したシミュレーテッドデータを用いて、$Z^\prime$およびWIMPモデルの発見領域を定量すること。
• $e^+e^-$、$\mu^+\mu^-$、$\tau^+\tau^-$の異なるレプトンチャンネルが、標準模型からのずれを検出する能力を比較すること。
• ビームの偏光およびバックグラウンド抑制が新しい物理への感度に与える影響を検討すること。

提案手法

• ILCSoft v01-16-02-p1を用いたフルシミュレーション。イベント生成にはWHIZARDとPYTHIAを用い、ハドロン化を実装。
• ILCの検出器シミュレーションは、Geant4に基づくMokkaを用い、ILD v1_05ジオメトリとPandoraPFAアルゴリズムを用いて粒子フロー再構成を実施。
• Marlinプロセッサを用いたイベント再構築。トラッキングとクラスタマッチング、およびECAL/HCALのエネルギー堆積とトラックの湾曲度に基づくレプトンタグギングを含む。
• 運動学的および識別カットの適用：$E_{\rm sum} > 230$ GeV、$|\cos\theta| < 0.95$、$E_{\rm tr} > 10$ GeV。電子・ミューオンの識別には、それぞれ$E_{\rm ECAL}/(E_{\rm ECAL}+E_{\rm HCAL}) > 0.9$および$< 0.5$を用いる。
• 統計的解析には、$\chi^2$に基づく確率検定を用い、標準模型との整合性を評価し、3$\sigma$発見領域を決定。
• 部分モンテカルロサンプルを2000 fb$^{-1}$光度にスケーリングするため、イベントウェイトを導入し、H20ステージングシナリオに対応。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILC 250 GeVの$e^+e^-$衝突が、さまざまなモデルにおける$Z^\prime$ボソンに対してどの程度感度を持つのか。
• RQ2 高精度な$e^+e^-\to\ell^+\ell^-$測定が、標準模型からのずれを示す新しい物理を明らかにできるか。
• RQ3 微分断面積測定を用いた場合、3$\sigma$有意水準で除外可能な$Z^\prime$質量の最小値は何か。
• RQ4 $e^+e^-\to\ell^+\ell^-$過程は、WIMPダークマター候補をどの程度効果的に探査できるか。
• RQ5 $e^+e^-$、$\mu^+\mu^-$、$\tau^+\tau^-$の最終状態の組み合わせによる発見領域はどのようになるか。

主な発見

• SSM（シングレットモデル）に由来する$Z^\prime$モデルは、3$\sigma$有意水準で最大2.8 TeVまで探査可能である。
• ALR $Z^\prime$モデルは、3$\sigma$発見領域が4.0 TeVに達し、研究されたモデルの中で最高の感度を示した。
• $\psi$ $Z^\prime$モデルは、結合定数が弱いため、感度が最低で1.4 TeVであった。
• WIMP探索においては、ヒッグスチノおよびウィノモデルは150 GeVまで検出可能であり、最小ダークマター（MDM）モデルは330 GeVまで3$\sigma$で検出可能であった。
• 3つのレプトンチャンネルを統合した解析により感度が著しく向上し、ビームエネルギーをはるかに超える発見領域が実現可能となった。
• 本研究は、250 GeVでの$e^+e^-\to\ell^+\ell^-$の高精度測定が、直接生成閾値をはるかに超える質量スケールの新しい物理モデルを探査可能であることを確認した。