[論文レビュー] Testing CDF's Dijet Excess and Technicolor at the LHC

E. Eichten, Kenneth Lane+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるテクニルーピー共振子がテクニピオンとWボソンに崩壊する過程の観測可能性を調査し、背景からの信号分離を目的とした最適化されたカットを提案する。標準的なCDF風のカットでは不十分であるが、特にアイソスピン関連の $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ および $\rho_T^{\pm} \to WZ$ モードに対して、特化した選別手法を用いることで、$\sim 1-5\,\text{fb}^{-1}$ のデータ量で信号を明らかにできる。

ABSTRACT

Under the assumption that the dijet excess seen by the CDF Collaboration near 150 Gev in Wjj production is due to the lightest technipion of the low-scale technicolor process $ρ_T ightarrow W π_T$, we study its observability in LHC detectors with 1-5 fb^{-1} of data. We find that cuts similar to those employed by CDF are unlikely to confirm its signal. We propose cuts tailored to the LSTC hypothesis and its backgrounds at the LHC that can reveal $π_T ightarrow jj$. We also stress the importance at the LHC of the isospin-related channel $ρ^{\pm}_T ightarrow Zπ^{\pm}_T ightarrow \ell\ell jj$ and the all-lepton mode $ρ^{pm}_T ightarrow WZ ightarrow 3\ell + ν$.

研究の動機と目的

• 低スケールテクニカルチャー（LSTC）仮説の下で、CDFが観測した150 GeV付近の二ジェット過剰反応がLHCで確認可能かどうかを評価すること。
• 支配的である $Wjj$ 背景からテクニピオン（$\pi_T$）信号を分離するための運動量的カットを同定すること。
• 特に $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ および $\rho_T^{\pm} \to WZ$ といった代替崩壊モードを提案し、LSTCモデルの検証に適したクリアなシグネチャを提供すること。
• 実際のシミュレーションと光度推定値を用いて、LHC実験が $\pi_T \to jj$ および $\rho_T \to Wjj$ シグネチャに対してどの程度の感度を持つかを評価すること。

提案手法

• Pythiaを用いてLSTCパrameters（$M_{\rho_T} = 290\,\text{GeV}$, $M_{\pi_T} = 160\,\text{GeV}$, $\sin\chi = 1/3$, $N_{TC} = 4$, $Q_U = Q_D + 1 = 1$）を用いて、LHCにおける $\rho_T \to W\pi_T \to Wjj$ の生成をシミュレートする。
• $\rho_T \to W\pi_T \to \ell\,\nu_{\ell}jj$ イベントに対して、CDF風のカットを適用する。これには、レプトンおよびジェットの $p_T$ と $\eta$ の要件、$\Delta R$ および $\Delta\phi$ の制約、および非対称運動量のエネルギーを含む。
• 背景が信号付近にピークを示さないよう、質的に異なる新しいカットを提案する：$p_T(j_1) > 40\,\text{GeV}$, $p_T(j_2) > 30\,\text{GeV}$, $p_T(jj) > 45\,\text{GeV}$, $\Delta\eta(jj) < 1.2$, および $Q > 20\,\text{GeV}$。
• $1\,\text{fb}^{-1}$ および $5\,\text{fb}^{-1}$ のサンプルにおいて、$\pi_T \to jj$ および $\rho_T \to Wjj$ の信号対背景比（$S/\sqrt{B}$ および $S/B$）を評価する。
• アイソスピン関連モード $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm} \to \ell^+\ell^-jj$ および $\rho_T^{\pm} \to WZ \to \ell^\pm\nu_{\ell}\ell^+\ell^-$ のシミュレーションを行い、専用カットを用いた断面積と信号の有意性を推定する。
• 行列要素レベルの背景生成（ALPGEN）をパートンシャワー（Pythia）にマッチさせ、NLO $W+jj$ 断面積（MCFM）に比例して正規化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低スケールテクニカルチャー（LSTC）仮説の下で、CDFが観測した150 GeV付近の二ジェット過剰反応はLHCで観測可能か？
• RQ2 標準的なCDF風カットは、LHCにおける支配的 $Wjj$ 背景から $\pi_T \to jj$ シグネチャを分離するのに十分か？
• RQ3 運動量に特化した新たなカットは、信号付近の背景ピークを低減し、信号分離を改善できるか？
• RQ4 アイソスピン関連モード $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ および $\rho_T^{\pm} \to WZ$ は、LSTCモデルの確認に適したクリアなシグネチャを提供するか？
• RQ5 LHCが $\pi_T \to jj$ および $\rho_T \to Wjj$ シグネチャを $S/\sqrt{B} \gtrsim 3$ で観測するのに必要な光度はどの程度か？

主な発見

• 標準的なCDF風カットでは、$5\,\text{fb}^{-1}$ のデータ量であっても、$\pi_T \to jj$ シグネチャの分離が不十分であり、背景が信号付近にピークを示すためである。
• 提案されたカット（$p_T(j_1) > 40\,\text{GeV}$, $p_T(j_2) > 30\,\text{GeV}$, $p_T(jj) > 45\,\text{GeV}$, $\Delta\eta(jj) < 1.2$, $Q > 20\,\text{GeV}$）により、$1\,\text{fb}^{-1}$ 時に $\pi_T \to jj$ に対して $S/\sqrt{B} = 2.80$ および $S/B = 0.078$ を達成する。
• $260 < M_{Wjj} < 300\,\text{GeV}$ 範囲における $\rho_T \to Wjj$ シグネチャは、$1\,\text{fb}^{-1}$ 時に $S/\sqrt{B} = 2.50$ および $S/B = 0.089$ を示し、$\sim 5\,\text{fb}^{-1}$ のデータ量で観測可能である。
• $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm} \to \ell^+\ell^-jj$ モードは断面積 $165\,\text{fb}$ を有し、$5\,\text{fb}^{-1}$ 時に $S/\sqrt{B} = 3.12$ および $S/B = 0.18$ を達成する。これは有効な確認チャネルである。
• $\rho_T^{\pm} \to WZ \to \ell^\pm\nu_{\ell}\ell^+\ell^-$ モードは断面積 $25\,\text{fb}$ を有し、$\sim 5\,\text{fb}^{-1}$ のデータ量で観測可能と予想される。
• $M_{jj}$ の$80\,\text{GeV}$付近に位置する $Wjj$ 背景ピークは、背景正規化の自己補正が可能であり、信号抽出の信頼性を高める。