[論文レビュー] Trilepton signals: the golden channel for seesaw searches at LHC

F. del Águila, J. A. Aguilar–Saavedra+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるシーブ・メディエーターの発見にとって、三レプトン最終状態が最も感受性の高いチャンネルであると特定している。特にスカラー（タイプII）およびフェルミオン（タイプIII）三重項は、30 fb⁻¹のフルエンスで500–700 GeVまで検出可能である。左対称モデルにおいて新しいゲージボソンを有する場合、$W_R$ の質量が約4 TeVまでに制限される限り、重い右手ネウトロニウムが約2 TeVまで観測可能になる。これは $W_R^*$ を介したジェットへの崩壊分岐比が増加するためであり、大規模な標準模型（SM）背景にもかかわらず、三レプトン信号は極めて重要である。

ABSTRACT

The comparison of samples with different number of charged leptons shows that trilepton signals are the most significant ones for seesaw mediators. As previously pointed out, this is indeed the case for scalar (type II) and fermion (type III) triplets at LHC, which can be discovered in this channel for masses up to 500-700 GeV and an integrated luminosity of 30 fb^-1; whereas fermion singlets (type I) are marginally observable if there are no further new physics near the TeV scale. However, if there are new gauge interactions at this scale coupling to right-handed neutrinos, as in left-right models, heavy neutrinos are observable up to masses ~ 2 TeV for new gauge boson masses up to ~ 4 TeV, as we discuss in some detail.

研究の動機と目的

• LHCにおけるシーブ・メディエーターの発見に最も感受性の高い最終状態を同定すること、特に重いニュートリノや新しいゲージボソンを含むモデルにおいて。
• 現実的なSM背景を考慮した場合、三レプトン最終状態が双レプトンおよび逆スピン双レプトンチャンネルと比較して発見可能性に与える影響を評価すること。
• 右手ニュートリノに結合する新しいゲージ相互作用が、マルチレプトン最終状態における重いニュートリノ信号の到達域に与える影響を評価すること。
• 左対称モデルにおける $W_R$ ゲージボソンを有する場合、三レプトンおよび双レプトン最終状態に注目した重いニュートリノの発見到達域を定量化すること。

提案手法

• 研究では、信号およびSMバックグラウンドの生成にAlpgenを用いたパートンレベルの計算とモンテカルロシミュレーションを採用し、Pythia 6.4を用いてパートンシャワーリング、ハドロン化、およびピルアップ効果を処理した。
• 一般的なLHC検出器を想定した高速検出器シミュレーション（AcerDET）を用いて、検出器応答をモデル化し、現実的な再構成および選別基準を可能にした。
• 三レプトン（$\ell^{\pm}\ell^{\pm}\ell^{\mp}$）、同スピン双レプトン（$\ell^{\pm}\ell^{\pm}$）、逆スピン双レプトン（$\ell^{+}\ell^{-}$）最終状態に対して、$p_T$、インバリアント質量、欠落横運動量、全インバリアント質量に関する運動学的カットを適用した信号選別基準を適用した。
• $W_R^*$ がジェットに崩壊する割合を表す分岐比 $\text{Br}_R = \Gamma(N \to lW_R^* \to ljj) / \Gamma_{\text{total}}$ を用い、一部のシナリオでは $\text{Br}_R \sim 1$ を仮定した。
• 信号効率、SMバックグラウンドレベル（例：$t\bar{t}$、$W^+W^+$）および検出器効果を考慮した上で、最終状態間の重要度を比較した。
• 30 fb⁻¹のフルエンスを用いて $m_N$ および $M_{W_R}$ の発見限界を導出し、$\text{Br}_R \sim 0$ および $\text{Br}_R \sim 1$ のシナリオに特化したシミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ三レプトン最終状態が、LHCにおけるシーブ・メディエーター探索において双レプトンや逆スピン双レプトン最終状態よりも感受性が高いか？
• RQ2 左対称モデルにおける新しい $W_R$ ゲージボソンが、重い右手ニュートリノの発見到達域をどのように向上させるか？
• RQ3 $W_R^*$ の崩壊がジェットに支配的である場合、三レプトンと同スピン双レプトン信号の相対的有意度はどのようになるか？
• RQ4 特に $t\bar{t}$ および $W^+W^+$ などのSMバックグラウンドが、マルチレプトン最終状態におけるレプトン数破れ信号の検出可能性に与える影響は何か？
• RQ5 $W_R$ の質量が4 TeVまでに制限される左対称モデルにおいて、重いニュートリノの最大質量到達域は何か？

主な発見

• 三レプトン信号は、特にスカラー $\Delta$（タイプII）およびフェルミオン $\Sigma$（タイプIII）三重項に対して、シーブ・メディエーターを検出する上で最も有意義な最終状態であり、30 fb⁻¹のフルエンスで500–700 GeVまでの発見到達域を有する。
• フェルミオンシングレット $N$（タイプI）は、$W_R$ ゲージボソンなどの新しい物理が分岐比を増加させない限り、LHCでわずかに観測可能にとどまる。
• 左対称モデルに $W_R$ ゲージボソンを有する場合、$W_R$ の質量が約4 TeVまでに制限される限り、重いニュートリノ $N$ は約2 TeVまでの質量で観測可能になる。
• 三レプトンおよび同スピン双レプトン最終状態の発見の有意度は、同スピン双レプトンの分岐比が大きいにもかかわらず、バックグラウンドが大きく信号効率が低いことから、ほぼ同等の有意度を示す。
• 三レプトンおよび双レプトン最終状態の組み合わせは、$W_R^*$ が主に2つのジェットに崩壊するシナリオと同等の発見到達域を達成しており、三レプトンチャンネルが新しい物理を効果的に探査できることを示している。
• $\text{Br}_R \sim 1$ の場合、$m_N$ および $M_{W_R}$ の発見到達域は $W_R^* \to jj$ 崩壊シナリオと同等となり、三レプトンチャンネルが左対称モデルにおいてゴールデンプローブであることを確認した。