[論文レビュー] Z' Searches: From Tevatron to LHC

Jens Erler, Paul Langacker+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、$Z^\prime$ボソン質量の除外限界を計算するベイズ統計的手法を提案する。CDF解析を拡張し、$Z^\prime$、$Z$、$\gamma$ボソン間の干渉効果を組み込み、$U(1)^\prime$ゲージ結合定数$g_2$の変動を許容する。$g_2$と$M_{Z^\prime}$の両方を最小化することで$\chi^2$に基づく尤度比を評価し、広い結合定数範囲にわたる頑健な除外限界を提供する。$Z_\chi$モデルにおける95%信頼水準の除外限界は913 GeVであり、CDF結果の892 GeVより21 GeV高い。

ABSTRACT

The CDF collaboration has set lower limits on the masses of the Z' bosons occurring in a range of E_6 GUT based models. We revisit their analysis and extend it to certain other E_6 scenarios as well as to some general classes of models satisfying the anomaly cancellation conditions, which are not included in the CDF analysis. We also suggest a Bayesian statistical method for finding exclusion limits on the Z' mass, which allows one to explore a wide range of the U(1)' gauge coupling parameter. This method also takes into account the effects of interference between the Z' and the SM gauge bosons.

研究の動機と目的

• E_6 GUTに基づくモデルにおける固定ゲージ結合定数の仮定を超えて、CDFの$Z^\prime$質量除外限界を拡張すること。
• Drell–Yan過程における$Z^\prime$、$Z$、$\gamma$ボソン間の干渉効果を組み込み、CDF解析が無視した要因を反映すること。
• 幅広い物性的関連シナリオを探索可能な、$U(1)^\prime$ゲージ結合定数$g_2$を可変にできる柔軟な統計的フレームワークを構築すること。
• 元のCDF解析にカバーされていないモデル、特にE_6ベース、$x$パラメータ、および順次$Z_{SM}$モデルへの除外限界の一般化すること。

提案手法

• 信号とバックグラウンド仮説を比較するため、ポisson分布に従う確率質量関数$P$を用いたベイズ尤度関数$\mathcal{L}(\vec{\mu}|\vec{n}) = \prod_i P(n_i|\mu_i)$を用いる。
• バックグラウンドのみの仮説$\mathcal{L}(\vec{\mu^b}|\vec{n})$と、信号＋バックグラウンドの仮説$\mathcal{L}(\vec{\mu^t}|\vec{n}) = \mathcal{L}(\vec{\mu^b} + \vec{\mu^\prime}|\vec{n})$を定義し、$\vec{\mu^\prime}$は$Z^\prime$寄与によるものとする。
• 検出器のエネルギー分解能を反映させるために、不変質量分布のスメアリングに確率密度関数$\mathbf{p}(M_p^{-1}|M^{-1}) = M_p b^a e^{-b}/\Gamma(a)$を適用する。ここで$a = (M^{-1}/\Delta)^2$、$b = M^{-1}M_p^{-1}/\Delta^2$、$\Delta = 0.17$ TeV$^{-1}$とする。
• $\chi^2$に基づく検定統計量$\chi_{\mu^\prime}^2 = -2\ln(\mathcal{L}(\vec{\mu^t}|\vec{n}) / \mathcal{L}(\vec{\mu^b}|\vec{n}))$を$g_2$と$M_{Z^\prime}$の両方について最小化し、最適適合パラメータを導出する。
• 信頼水準に対応する$\Delta\chi^2$の閾値を用いて、$g_2$–$M_{Z^\prime}$平面における除外等高線を導出する。これにより、広い結合定数範囲にわたる除外限界が可能になる。
• この手法を$Z_\chi$モデルに適用し、強結合領域を含む他の$g_2$値に対してもCDFの限界を一般化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Drell–Yan過程における$Z^\prime$、$Z$、$\gamma$ボソン間の干渉効果が、$Z^\prime$質量の除外限界に与える影響は何か？
• RQ2 可変な$U(1)^\prime$ゲージ結合定数$g_2$が、$Z^\prime$ボソンの感度および除外境界に与える影響は何か？
• RQ3 ベイズ統計フレームワークは、CDFの固定幅・固定結合定数アプローチを改善できるか？
• RQ4 干渉効果と可変$g_2$を組み込んだ場合、E_6ベースのモデルにおける$Z^\prime$質量の除外限界はどのように変化するか？
• RQ5 特に強結合領域において、新しい限界は元のCDF結果と定量的にどのように比較できるか？

主な発見

• $Z_\chi$モデルにおける95%信頼水準の除外限界は913 GeVであり、CDFの892 GeVより21 GeV高い。
• ベイズ手法は、元のCDF解析が無視した$Z^\prime$、$Z$、$\gamma$ボソン間の干渉効果を適切に反映している。
• $g_2$–$M_{Z^\prime}$平面における除外等高線が生成され、$U(1)^\prime$結合定数の広い範囲にわたる頑健な除外限界が可能になった。
• この手法により、元のアプローチでは不可能だった強結合領域を含む、他の$g_2$値に対してもCDFの限界が一般化された。
• 従来除外されていたモデル、たとえば$Z_{dph}$、$Z_R$、$Z_{B-L}$、$Z_{string}$、$Z_{SM}$なども新たにカバーされ、$Z^\prime$探索の範囲が拡大された。
• 予備的な結果では、スムージング処理を施した不変質量分布を用いた検出器分解能の取り扱いが、バックグラウンドモデル化と限界計算の精度を向上させた。