[논문 리뷰] Discovering and profiling Z' bosons using asymmetry observables in top quark pair production with the lepton-plus-jets final state at the LHC

Lucio Cerrito, D. A. Millar외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 톰 쿼크 쌍 생성의 렙톤 플러스 제트 최종 상태에서 전방-후방 및 상단 스핀 비대칭을 활용하여 Z′ 보손을 탐지하고 특성화하는 방법을 제안한다. 실질적인 실험 조건—결측 횡운동량, 제트-톰 조합 불확실성, 비구속 상태 톰 쿼크 붕괴—을 시뮬레이션함으로써, 이 비대칭을 인variant 질량 분포와 조합할 경우 특정 Z′ 모델에서 신호 유의도가 최대 31.4 표준편차까지 향상됨을 보여주며, 이는 표준 단면적 분석만으로는 달성할 수 없는 상당한 탐지 잠재력 향상이다.

ABSTRACT

The sensitivity of top quark pair production at the Large Hadron Collider to the presence and nature of an underlying Z' boson is studied, accounting for six-fermion decay with full tree-level Standard Model ttbar interference and all intermediate particles allowed off-shell. Focus is placed on the lepton-plus-jets final state, emulating experimental conditions, including kinematic requirements and top quark pair reconstruction in the presence of missing transverse energy and combinatorial ambiguity in jet-top assignment. Considering a resonance with mass of 4 TeV, and assuming 300 inverse fb of proton-proton collisions with a centre of mass energy of 13 TeV data, a combination of forward-backward and top polarisation asymmetries are shown to distinguish Z' embedded by different classes of Grand-Unified-Theory-inspired models. In combination with the differential cross section, they may be used to increase the significance of the signal when tested against the Standard Model, as shown using a likelihood-based statistical test.

연구 동기 및 목표

• 레pton 플러스 제트 최종 상태에서 비대칭 관측량을 사용하여 LHC에서의 톰 쿼크 쌍 생성이 Z′ 보손에 대해 얼마나 민감한지 조사하기 위해.
• 이전의 비구속 상태 톰 쿼크 분석을 확장하여 비구속 붕괴와 실질적인 재구성 조건(결측 횡운동량, 조합 불확실성 포함)을 고려한 분석을 수행하기 위해.
• 전방-후방 비대칭과 상단 스핀 비대칭이 표준 미분 단면적 분석을 초월하여 Z′ 신호의 유의도를 향상시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 다양한 그랜드 unification 이론 기반 클래스에 속하는 Z′ 모델을 구분하는 데 비대칭의 진단 능력을 평가하기 위해.
• 단면적 및 비대칭 관측량의 미분 및 통합 유의도를 조합하는 가능도 기반 통계 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 표준 모형과 Z′ 기여의 전체 간섭 효과를 포함한 2→6 트리 레벨 계산을 수행하며, 모든 중간 입자를 비구속 상태로 허용한다.
• 실제 운동량 조건, 결측 횡운동량, 조합 불확실성 하에서의 제트-톰 쌍 재구성 조건을 고려한 렙톤 플러스 제트 최종 상태를 시뮬레이션한다.
• 재구성된 상단 쿼크 붕괴 각도와 운동량을 사용하여 전방-후방 비대칭과 상단 스핀 비대칭을 정의하며, 이벤트별 기울기 추출을 통한 정규화를 수행한다.
• 두 차원 분석에서 인variant 질량 분포의 유의도와 비대칭 관측량의 유의도를 조합하기 위해 가능도 기반 통계 테스트를 적용한다.
• 실험 조건을 모의하기 위해 토이 재구성 절차를 사용하고, 질량 및 각도 변수에 걸쳐 2차원 유의도를 유도한다.
• GLR, GSM, E6 등 GUT 기반 U(1)′ 대칭에서 유도된 다양한 Z′ 모델을 테스트하였으며, 제3세대 페르미온과의 결합을 고려했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전방-후방 비대칭과 상단 스핀 비대칭은 표준 인variant 질량 분포를 초월하여 톰 쿼크 쌍 생성에서 Z′ 신호의 유의도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 비구속 상태 톰 쿼크 붕괴와 실질적인 재구성 조건은 렙톤 플러스 제트 최종 상태에서 Z′ 보손에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비대칭 관측량이 서로 다른 톰 쿼크와의 결합을 가진 다양한 Z′ 모델을 어느 정도로 잘 구분할 수 있는가?
• RQ4 두 차원 통계 테스트에서 비대칭과 단면적 정보를 조합하면 일차원 분석에 비해 탐지 잠재력이 향상되는가?
• RQ5 어떤 Z′ 모델에서 비대칭이 유의미하게 나타나며, 실질적인 실험 조건 하에서 그들의 신호 유의도는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 300 fb⁻¹의 데이터로, 4 TeV Z′ 보손에 대해 U(1)Q 모델에서 인variant 질량과 비대칭 관측량을 조합함으로써 최대 31.4 표준편차까지 유의도가 향상된다.
• GLR-R 모델은 mtt와 cosθℓ를 조합할 경우 9.1σ의 유의도를 기록하며, 질량 분포만으로는 8.1σ에 못 미치는 것으로 나타나 상당한 향상이 이루어졌다.
• GSM-T³L 모델은 17.9σ의 최고 수준의 통합 유의도를 기록하여 이 클래스의 Z′ 모델에 대한 강력한 진단 능력을 보여준다.
• E6-χ, E6-ψ, E6-η 등의 모델은 극히 미미한 비대칭(유의도 < 1.5σ)을 보이며, 이는 비대칭만으로는 SM 배경과의 구분이 어려움을 시사한다.
• U(1)BL과 U(1)Q 모델은 유의미한 비대칭 증폭을 보이지 않아, 그들의 신호는 여전히 인variant 질량 분포를 통해만 탐지 가능하다는 점을 확인한다.
• 이 연구는 비대칭 관측량이 미분 단면적과 보완적인 정보를 제공하며, Z′ 모델의 정밀한 식별과 탐지 범위의 향상에 기여함을 확인한다.