[논문 리뷰] Di-jet resonances at future hadron colliders: A Snowmass whitepaper

G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 21

한 줄 요약

이 스노마스 화이트페이퍼는 향후 14 TeV, 33 TeV, 100 TeV 프로톤-프로톤 충돌기에서 $Z'_{B}$ 및 컬러론($G'$) 모델로부터 유래하는 듀얼제트 공명의 발견 잠재력과 배제 민감도를 평가한다. 마드그라프, 히아, PGS를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 3 ab⁻¹ 루미노시티 조건에서 100 TeV 충돌기가 $Z'_{B}$ 공명을 최대 11.5 TeV까지, 컬러론을 최대 16 TeV까지 발견할 수 있으며, $g_B \sim 0.35$ 및 $\tan\theta \sim 0.045$ 수준의 약한 결합도 가능하다고 예측한다. 이는 현재의 탐색 범위를 크게 초월한다.

ABSTRACT

I investigate the sensitivity of future hadron colliders to di-jet resonances arising from Z' or coloron models. The projected discovery potential and exclusion limits for these resonances is presented in the coupling vs. mass plane, which highlights both the increased mass reach from higher energy machines as well as the improved coupling sensivity from larger luminosity.

연구 동기 및 목표

• 향후 하드론 충돌기에서 $Z'_{B}$ 및 컬러론 모델로부터 유래하는 듀얼제트 공명의 발견 잠재력과 배제 민감도를 평가하기 위해.
• 더 높은 중심질량 에너지($\sqrt{s}$)와 증가한 루미노시티로 인한 질량 및 결합 민감도 향상을 정량화하기 위해.
• 다양한 충돌기 에너지와 루미노시티 간의 향후 실험적 탐색 범위를 비교하기 위한 통합된 프레임워크를 결합-질량 평면에 제공하기 위해.
• 고에너지 충돌기에서 민감도를 유지하기 위해 저멀티제트 트리거 임계값의 중요성을 부각하기 위해.

제안 방법

• 신호 및 QCD 배경 이벤트는 CTEQ6L1 파arton 분포 함수를 사용한 마드그라프 5 v1.5.7을 통해 생성되었다.
• 파트론 쇼어링 및 하드론화는 히아 v6.4.20를 사용하여 시뮬레이션하였으며, 기본 검출기 시뮬레이션은 PGS v4를 사용하였다.
• QCD 배경는 MLM 체계를 사용하여 매칭된 이중 및 삼중 제트 샘플로 모델링되었으며, 배경 생성을 위한 주요 제트 $p_T$의 운동량 밴드가 사용되었다.
• 이벤트는 FastJet v3.0.2를 사용하여 반-$k_T$ 알고리즘과 $R=0.5$를 적용하여 군집화되었다.
• 신호 피크를 도메인 제트 질량 스펙트럼에서 분리하기 위해 크리스탈 볼 피팅을 사용한 봉우리 탐색을 수행하였다.
• 통계적 유의성의 계산은 $\sigma = N_S / \sqrt{N_S + N_B}$로 수행되었으며, $5\sigma$ 발견 기준과 95% 신뢰수준 배제 한계가 결정되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 하드론 충돌기에서 $\sqrt{s} = 14$, 33, 100 TeV 조건에서 $Z'_{B}$ 공명의 결합-질량 평면에서의 예상 발견 탐색 범위는 무엇인가?
• RQ2 300 fb⁻¹에서 3 ab⁻¹로 증가한 통합 루미노시티가 LHC 및 그 이상의 듀얼제트 공명에 대한 민감도에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 더 높은 중심질량 에너지가 현재 LHC 대비 컬러론 공명의 질량 탐색 범위를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 멀티제트 트리거 임계값은 저질량 민감도에 어떤 영향을 미치며, 이를 낮추는 것이 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 3 ab⁻¹의 통합 루미노시티 조건에서 향후 충돌기에서 $Z'_{B}$ 및 컬러론 모델의 예상 결합 민감도는 무엇인가?

주요 결과

• 100 TeV 충돌기에서 3 ab⁻¹ 루미노시티 조건에서는 $Z'_{B}$의 발견 탐색 범위가 질량 기준으로 11.5 TeV까지, 배제 탐색 범위는 13 TeV까지 확장된다.
• $Z'_{B}$의 경우 100 TeV에서 3 ab⁻¹ 조건에서 발견 민감도는 $g_B \sim 0.35$ 수준으로 향상되고, 배제 민감도는 $g_B \sim 0.2$ 수준으로 향상된다.
• 100 TeV에서 3 ab⁻¹ 조건에서는 컬러론 공명을 질량 기준으로 최대 16 TeV까지 발견하고, 최대 18 TeV까지 배제할 수 있다.
• 14 TeV LHC에서 300 fb⁻¹ 조건에서는 $Z'_{B}$ 공명을 최대 4.5 TeV까지 발견하고, 최대 5.3 TeV까지 배제할 수 있다.
• 컬러론의 경우 14 TeV LHC에서 300 fb⁻¹ 조건에서는 최대 6.5 TeV까지의 발견 잠재력이 있으며, 최대 7.5 TeV까지의 배제 민감도를 가진다.
• 100 TeV에서 3 ab⁻¹ 조건에서는 $Z'_{B}$ 및 컬러론 모델 모두에서 질량 탐색 범위가 14 TeV LHC 대비 약 3~4배 향상되고, 결합 민감도는 2~3배 향상된다.