[논문 리뷰] $A_{FB}$ as a discovery tool for $Z^\prime$ bosons at the LHC

Elena Accomando, A. Belyaev외 4명|ePrints Soton (University of Southampton)|2015. 04. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 $Z^\prime$ 보손을 탐지하기 위한 도구로 전진-후진 비대칭도(AFB)를 사용할 것을 제안하며,传통적인 볼록형 탐색 방법이 실패할 경우에도 AFB가 좁고 넓은 $Z^\prime$ 공명을 모두 탐지할 수 있음을 입증한다. AFB는 특히 너비가 넓은 공명에서 배경과 융합된 횡단면 신호와 함께 작용할 때, 고유한 선형형태와 더 낮은 시스템적 오차 덕분에 비교적 뛰어난 감도를 보이며, 이는 횡단면 기반 탐색보다 유사하거나 뛰어난 감도를 제공한다.

ABSTRACT

The Forward-Backward Asymmetry (AFB) in $Z^\prime$ physics is commonly only perceived as the observable which possibly allows one to interpret a $Z^\prime$ signal by distinguishing different models of such (heavy) spin-1 bosons. In this article, we examine the potential of AFB in setting bounds on or even discovering a $Z^\prime$ at the Large Hadron Collider (LHC) and show that it might be a powerful tool for this purpose. We analyze two different scenarios: $Z^\prime$s with a narrow and wide width, respectively. We find that in both cases AFB can complement the cross section in accessing $Z^\prime$ signals.

연구 동기 및 목표

• AFB가 LHC에서 $Z^\prime$ 보손의 주요 탐지 도구로 기능할 수 있는지 여부를 조사하는 것, 즉 단지 사후 진단 도구로만 기능하는 것이 아니라.
• 표준 횡단면 기반 볼록형 탐색이 배경과의 스메어링으로 인해 실패하는 넓은 $Z^\prime$ 공명($\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \gtrsim 50\%$)을 탐지하는 데 도전하는 문제를 다루는 것.
• $Z^\prime$, $Z$, 및 $\gamma$ 간의 간섭 효과로 인해 제어 영역의 배경 추정이 손상되는 상황에서 AFB의 감도를 평가하는 것.
• 좁고 넓은 $Z^\prime$ 모델에서 AFB 기반의 유의미성과 전통적인 횡단면 기반 탐색 간의 비교를 수행하는 것.
• AFB가 공명 피크에서 벗어난 영역에서도 신호를 조기에 드러내어 새로운 물리학의 조기 징후를 제공할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 연구는 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 $\mathcal{L} = 300\,\text{fb}^{-1}$ 조건에서 Drell-Yan 과정 $pp \to l^+l^-$를 분석하며, $l = e,\mu$에 초점을 맞춘다.
• AFB는 $A_{FB}^* = \frac{\sigma(\eta_l > 0) - \sigma(\eta_l < 0)}{\sigma(\eta_l > 0) + \sigma(\eta_l < 0)}$로 계산되며, 여기서 $\eta_l$는 렙톤의 위상속도이다.
• 모델 특화 결합을 사용하여 $Z^\prime$, $Z$, 및 $\gamma$ 간의 유한한 폭과 간섭 효과를 포함한다. 이는 $E_6$, GLR, 및 GSM 프레임워크에서 유도된다.
• 유의미성은 동일한 박스에 대해 관측된 관측량 질량 분포에서 AFB 기반의 유의미성을 평가하며, 횡단면 기반의 유의미성과 비교한다.
• 기준 모델은 좁은($\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \sim 0.5-12\%$) 및 넓은($\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} = 80\%$) $Z^\prime$ 시나리오를 포함한다.
• 이 방법은 WZPROD를 통한 NNLO QCD 계산과 CTEQ6.6 PDF를 사용하며, 수용 조건($p_T > 25$ GeV, $|y_l| < 2.5$)을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AFB는 기존의 횡단면 기반 볼록형 탐색과 독립적으로 LHC에서 $Z^\prime$ 보손의 주요 탐지 도구로 기능할 수 있는가?
• RQ2 좁은 $Z^\prime$ 공명($\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \sim 0.5-12\%$)을 탐지할 때 AFB 감도는 횡단면 기반의 유의미성과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 횡단면 신호가 SM 배경과 구분되지 않을 정도로 넓은 $Z^\prime$ 공명($\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \gtrsim 50\%$)을 AFB가 탐지할 수 있는가?
• RQ4 만일 $Z^\prime$, $Z$, 및 $\gamma$ 간의 간섭이 크고 제어 영역의 배경 추정이 손상되는 상황이라면, AFB는 여전히 강건하고 민감한가?
• RQ5 AFB는 공명 피크에서 벗어난 관측량 질량 스펙트럼의 영역에서도 신호를 드러내어 새로운 물리학의 조기 징후를 제공하는가?

주요 결과

• 좁은 $Z^\prime$ 공명의 경우, AFB 기반 탐색은 전통적인 횡단면 기반 볼록형 탐색과 유사한 유의미성을 달성하며, 특히 피크 영역에서 그러하다.
• AFB는 공명 피크를 초월한 영역에서도 감도를 유지하며, 횡단면 신호가 평탄하거나 억제된 경우에도 관측량 스펙트럼에 명백한 특징을 보인다.
• 넓은 $Z^\prime$ 공명의 경우($M_{Z^\prime} = 1.5$ TeV, $\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} = 80\%$), 횡단면 기반의 유의미성이 1$\sigma$ 이하로 떨어지는 영역에서 AFB는 2$\sigma$의 유의미성을 보이며, 이는 더 뛰어난 감도를 의미한다.
• 넓은 공명의 AFB 선형형태는 제어 영역의 간섭 효과에 덜 민감하며, 횡단면 기반의 수량 측정 실험보다 더 강건하다.
• 넓은 $Z^\prime$ 시나리오에서는 AFB가 횡단면 신호가 배경과 융합된 영역에서도, 각도 상관관계에 대한 고유한 의존성 덕분에 신호를 탐지할 수 있다.
• 이 연구는 AFB가 횡단면 측정보다 시스템적 오차에 덜 민감하며, 횡단면의 비율이므로 복잡한 간섭 환경에서도 신뢰성이 높다는 것을 확인한다.