[論文レビュー] W' in new physics models at the LHC

Donghee Kim, Youngdo Oh+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるさまざまなニュー・フォイジックス・モデル、特にユニバーサル・エキストラ・ディメンション（UED）モデルにおける重い荷電ゲージボソン $W^\prime$ の生成と検出を調査する。$\sqrt{s} = 7$ および $14$ TeV における $pp \to W^\prime \to \ell\nu_\ell$ のサーベイにおいて、14 TeV で 100 fb$^{-1}$ のデータ量があれば、LHC は $1/R \lesssim 3.4$ TeV のカールツァ・クラインスケールをプローブでき、これはダークマターとしてのUEDを強く制約する。

ABSTRACT

We study the new heavy charged gauge boson W' in various models including Left-Right symmetric, Little Higgs, Randall-Sundrum and universal extra dimension model considering pp ightarrow W' ightarrow lepton + neutrino with the 7 TeV and 14 TeV CM energies at the LHC. Of particular, we show that the universal extra dimension model is highly constrained by existing and forthcoming data.

研究の動機と目的

• LHCにおけるニュー・フォイジックスのシグナルとしての $W^\prime$ ボソンの妥当性を評価すること。
• LHCが $pp \to W_2 \to \ell\nu_\ell$ シグナルを通じてユニバーサル・エキストラ・ディメンション（UED）モデルへの感受性を評価すること。
• UEDモデルにおけるカールツァ・クラインスケール $1/R$ およびバルクフェルミオン質量 $\mu$ をプローブするLHCの到達範囲を特定すること。
• 既存および将来のLHCデータが、特にダークマター候補に関して、UEDモデルに与える制約を比較すること。

提案手法

• UEDフレームワークにおける $W$-ボソンの2番目のカールツァ・クライン（KK）状態（$W_2$）を $W_2 \to \ell\nu_\ell$ 衰えに従ってモデル化する。
• Pythia モンテカルロイベントジェネレータと CTEQ6L1 のパートン分布関数を用いて、生成断面積と分支比を計算する。
• 部分衰え幅を推定するための式 $\Gamma(W_n \to e\nu) \approx \frac{g_n^2}{48\pi} m_n (1+\delta)$ を適用する。
• ゼロのシグナル事象が観測され、検出器効率が100%であると仮定して、95%信頼水準（C.L.）の限界に基づき感受性領域を定義する。
• $1/R \in [0, 7000]$ GeV および $\mu \in [0, 16000]$ GeV の範囲でUEDパラメータ空間を走査する。
• $\sqrt{s} = 7$ TeV 時に 1–20 fb$^{-1}$、$\sqrt{s} = 14$ TeV 時に 10–100 fb$^{-1}$ の光度についての感受性を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCは、$\sqrt{s} = 7$ TeV および $14$ TeV における $pp \to W_2 \to \ell\bar{\nu}_\ell$ を通じて、ユニバーサル・エキストラ・ディメンションモデルで予測される $W^\prime$ ボソンを検出できるか？
• RQ2 varying luminosity を想定した場合、LHCが $W_2$ ボソンのカールツァ・クラインスケール $1/R$ をどの程度までプローブできるか？
• RQ3 既存および予想されるLHCデータが、UEDモデルがダークマターの有効なフレームワークであるかどうかをどの程度制約するか？
• RQ4 現在および将来のLHCの $\sigma \times \text{Br}(W^\prime \to \ell\nu_\ell)$ に対する限界を踏まえた場合、UEDモデルにおける $W_2$ シグナルはどの程度依然として妥当性を保っているか？
• RQ5 UEDモデルにおいて、$W_2$ の衰え幅および生成率は、バルクフェルミオン質量 $\mu$ および $1/R$ にどのように依存するか？

主な発見

• LHCは、$\sqrt{s} = 7$ TeV で 20 fb$^{-1}$ の統合光度を持つ場合、$1/R \lesssim 2$ TeV のカールツァ・クラインスケールをプローブできる。
• $\sqrt{s} = 14$ TeV で 100 fb$^{-1}$ の光度を持つ場合、LHCは $1/R \lesssim 6.0$ TeV をプローブでき、KKフォトンダークマターの自然なスケールをカバーする。
• 現在および将来のLHCデータにより、UEDモデルは強く制約されており、パラメータ空間の大部分が除外されている。
• $\sqrt{s} = 14$ TeV で 100 fb$^{-1}$ の光度を持つ場合、広い $\mu$ 値の範囲において、感受性領域は $1/R \lesssim 3.4$ TeV まで延びる。
• $W_2$ の生成断面積と分支比は、$1/R$ および $\mu$ の両方に対して敏感であり、主要な衰えモードは $W_2 \to \ell\nu_\ell$ である。
• 本研究は、自然な $1/R \sim \text{数}$ TeV の範囲にまで到達するLHCの能力を裏付けるものであり、UEDモデルがダークマターのフレームワークとして基本的に除外または確認可能であることを確認している。