[論文レビュー] Z'_{B-L} discovery potential at the LHC for \sqrt{s}=7 TeV

L. Basso, A. Belyaev+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、LHCおよびTevatronにおける$√{s} = 7$ TeVの環境下で、$Z'_{B-L}$ゲージボソンの発見可能性を評価し、$e^+e^-$、$μ^+μ^-$およびマルチレプトンのオブザーバブルを介した重いメジャナネーター中性子の崩壊に注目している。電子はミューオンよりも高い感度を示し、LHCでは$M_{Z'} = 1.2$ TeVまで、Tevatronでは$M_{Z'} = 0.9$ TeVまで$5\sigma$の発見が可能である。一方、$1$ fb$^{-1}$の統計的積算光度のもとで、LHCでは$2\sigma$の除外限界が$1.6$ TeVまで延びる。

ABSTRACT

We present the Large Hadron Collider (LHC) discovery potential in the Z' sector of a U(1)_{B-L} enlarged Standard Model also encompassing three heavy Majorana neutrinos, for \sqrt{s}=7 centre-of-mass energy, considering both the Z'_{B-L} ightarrow e^+e^- and Z'_{B-L} ightarrow μ^+μ^- decay channels. Electrons provide a higher sensitivity to smaller couplings at small Z'_{B-L} boson masses than do muons. The run of the LHC at \sqrt{s}=7 TeV, assuming at most \int \mathcal{L} \sim 1 fb^{-1}, will be able to give similar results to those that will be available soon at the Tevatron in the lower mass region, and to extend them for a heavier M_{Z'}. A 5σdiscovery could be possible up to M_{Z'}=1.2(0.9) TeV at the LHC(Tevatron), while a 2σexclusion at the LHC could be possible up to M_{Z'}=1.6 TeV. The new gauge coupling g'_1 can been probed, at 5σ, down to \sim (3 ÷4) \cdot 10^{-2} with electrons and down to \sim (4 ÷5) \cdot 10^{-2} with muons, both at the LHC and at the Tevatron, for M_{Z'}=600 GeV. The Z' boson in this model exhibits novel signatures at the LHC, as multi-lepton and multi-jet decays via heavy neutrinos, that allow one to measure the heavy neutrino masses involved. Lastly, the simultaneous measurement of both the heavy neutrino mass and decay length (over a large region of parameter space, the heavy neutrinos are rather long-lived particles) enables an estimate of the absolute mass of the parent light neutrino.

研究の動機と目的

• LHCおよびTevatronにおける$\sqrt{s} = 7$ TeVの環境下で、$U(1)_{B-L}$拡張標準模型における$Z'_{B-L}$ボソンの発見可能性を評価すること。
• $Z'_{B-L}$検出における$e^+e^-$と$\mu^+\mu^-$崩壊チャンネルの感度を比較すること。
• 重いメジャナニュートリノが特徴的なマルチレプトンおよびずれ発光（displaced-vertex）のオブザーバブルを生成する役割を調査すること。
• see-saw機構を介して、重いニュートリノの質量および崩壊長を測定することで、軽いニュートリノの絶対的質量を推定する可能性を調査すること。

提案手法

• ゲージ異常をキャンセルするための$B-L$荷電ヒッグススカラーを有する、3つの重い右手系メジャナニュートリノを含む最小限の$B-L$モデルを採用する。
• $M_{Z'} = 1.5$ TeV、$g'_1 = 0.2$、$M_{\nu_h} = 200$ GeVというベンチマーク点で、$Z' \to \nu_h\nu_h \to 3l + 2j + \ell + \slashed{E}_T$の崩壊チェーンをモデル化するためのモンテカルロシミュレーションを実施する。
• $Z'$質量の再構築および重いニュートリノの崩壊を同定するため、$m_T^2 = (\sqrt{M^2_{\text{vis}} + P_T^2_{\text{vis}}} + |\slashed{P}_T|)^2 - |\vec{P}_{T,\text{vis}} + \slashed{\vec{P}}_T|^2$という横断的質量分布を用いる。
• 標準模型のDrell-Yanバックグラウンドを抑制するために、運動量的カットおよび検出器の受容性要件を適用する。
• LHCおよびTevatronにおける信号の有意性および除外限界を、$1$ fb$^{-1}$の積算光度を用いて比較分析する。
• see-saw式を逆算して、測定された重いニュートリノの質量および崩壊長から、軽いニュートリノの質量を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\sqrt{s} = 7$ TeVおよび$1$ fb$^{-1}$の積算光度のもとで、LHCにおける二レプトン最終状態の$Z'_{B-L}$の$5\sigma$発見限界はどの程度か？
• RQ2 LHCおよびTevatronにおける$Z'_{B-L}$検出において、$e^+e^-$と$\mu^+\mu^-$最終状態の感度はどのように比較されるか？
• RQ3 $Z' \to \nu_h\nu_h$崩壊に伴う、ずれ発光を伴うマルチレプトンのオブザーバブルは、$B-L$モデルの特徴的なシグネチャを提供できるか？
• RQ4 重いメジャナニュートリノの質量および崩壊長をどの程度まで正確に測定できるか。その測定により、see-saw機構を介して軽いニュートリノの絶対的質量をどの程度まで推定できるか？

主な発見

• 1$ fb$^{-1}$の積算光度のもとで、LHCでは$M_{Z'} = 1.2$ TeVまで、Tevatronでは$M_{Z'} = 0.9$ TeVまで$5\sigma$の発見が可能である。
• 電子はミューオンよりも高い感度を示し、LHCでは$M_{Z'} = 1.2$ TeV、Tevatronでは$M_{Z'} = 0.9$ TeVまで$5\sigma$の発見が可能である。一方、ミューオンではそれぞれ$1.0$ TeVおよび$0.8$ TeVまでである。
• LHCでは、$1$ fb$^{-1}$の積算光度のもとで、電子またはミューオンの最終状態を用いて、$M_{Z'} = 1.6$ TeVまでの$2\sigma$の除外が可能である。
• $M_{Z'} = 600$ GeVのとき、LHCおよびTevatronの両方で、電子を用いた場合の新しいゲージカップリングの$5\sigma$発見閾値は$g'_1 \sim (3\div 4) \times 10^{-2}$、ミューオンを用いた場合は$(4\div 5) \times 10^{-2}$である。
• 可視粒子に3レプトンおよび2ジェットが含まれる場合、横断的質量分布は$Z'$質量でピークを示し、$M_{Z'}$の正確な測定に有効な手法である。
• 横断的質量分布において$Z'$および重いニュートリノの質量ピークが同時に観測されることで、バックグラウンドが低減された特徴的なマルチレプトンシグネチャが確認され、モデルの妥当性が裏付けられる。