[논문 리뷰] Disentangling between Z' and Z* with first LHC data

M. V. Chizhov|ArXiv.org|2008. 07. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 이레프톤 최종 상태의 각도 및 운동량 분포를 사용하여 편극 스핀-1 보손($Z^*$)과 $Z'$ 게이지 보손을 구별하는 방법을 제안한다. 콜린스–소퍼 각도 분포에서 유일한 '매봉형' 형태와 횡방향 운동량에서 잭비안 피크가 없는 것이 주요 서명으로, $Z^*$의 중심-변형 대칭성 $A_{CE} = -0.69 \pm 0.10$는 $Z'$의 $-0.11 \pm 0.06$와 다름을 보이며, 초기 LHC 데이터에서의 조기 식별이 가능하다.

ABSTRACT

The resonance production of new chiral spin-1 excited bosons, Z*, and their detection through the Drell-Yan process in the first physical runs at the CERN LHC are considered. The new neutral chiral bosons can be observed as a Breit-Wigner resonance peaks in the invariant dilepton mass distribution in the same way as the well-known hypothetical gauge bosons, Z'. However, unique new signatures of the chiral bosons exist. These signatures could be very important for the interpretation of the first LHC data. First, there is no Jacobian peak in the lepton transverse momentum distribution at the kinematical endpoint of the new resonance. Second, the lepton angular distribution in the Collins-Soper frame for the high on-peak invariant masses of the lepton pairs has a peculiar "swallowtail" shape.

연구 동기 및 목표

• 초기 LHC 데이터에서 편극 스핀-1 보손($Z^*$)과 $Z'$ 게이지 보손을 구별할 수 있는 실험적으로 접근 가능한 서명을 규명하는 것.
• 이항 레이저 질량 분포에서 유사한 공진 피크로 인해 $Z^*$가 $Z'$로 잘못 식별되는 문제를 다루는 것.
• 스핀과 편극 구조에 민감한 운동량 및 각도 분포를 사용하여 조기 식별 방법을 제공하는 것.
• 이론적으로 콜린스–소퍼 기준에서 이레프톤의 각도 분포가 $Z^*$ 보손에 대해 고유한 '매봉형' 형태를 드러낸다는 것을 보여주는 것.
• 중심-변형 대칭성 $A_{CE}$를 정량화하여 $Z^*$와 $Z'$를 5σ 수준에서 명확히 구별할 수 있는 강력한 관측 가능량을 제공하는 것.

제안 방법

• LHC에서 $\sqrt{s} = 10$ TeV 조건에서 $q\bar{q} \to \ell^+\ell^-$의 Drell–Yan 과정을 분석하여 $Z^*$ 및 $Z'$ 보손의 공진 생성을 연구한다.
• 편극 보손의 쿠퍼링을 텐서 전류를 통해 기술하기 위해 효과적 라그랑지안 $\mathcal{L}_{\text{excited}} = \frac{g}{2\sqrt{2}M}(\bar{\ell}\sigma^{\mu\nu}\ell + \bar{d}\sigma^{\mu\nu}d)(\partial_\mu Z^*_\nu - \partial_\nu Z^*_\mu)$ 를 사용한다.
• 입자 빔의 횡방향 운동량, 의사속도, 콜린스–소퍼 각도 $\cos\theta^*_{\text{CS}}$ 를 함수로 하는 미분 단면적을 계산한다.
• 중앙 영역와 변형 영역의 $\cos\theta^*_{\text{CS}}$ 분포 간의 차이로 정의된 중심-변형 대칭성 $A_{CE}$ 를 적용한다.
• 입자 빔 운동량 비대칭성을 고려하기 위해 $d\bar{d}$ 및 $\bar{d}d$ 기여를 부분론자 수준에서 비교한다.
• 종방향 보정이 각도 분포에 미치는 영향을 평가하여, $\sqrt{s} = 10$ TeV에서는 '매봉형' 곡물이 유지되나, $14$ TeV에서는 높은 보정으로 인해 흐려짐을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콜린스–소퍼 각도 분포에서의 '매봉형' 형태가 초기 LHC 데이터에서 편극 $Z^*$ 보손과 $Z'$ 게이지 보손을 구별하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 이론적으로 레프톤의 횡방향 운동량 분포에서 잭비안 피크가 없는 것이 $Z^*$ 보손의 고유한 서명이 되는가?
• RQ3 이레프톤의 의사속도 분포에서 $\eta_\ell = 0$ 에서의 곡절이 $Z^*$ 보손의 경우 금지된 방출 평면으로 인해 나타나는가? 그 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 중심-변형 대칭성 $A_{CE}$ 는 $Z^*$ 와 $Z'$ 간에 어떻게 다름을 보이며, 이를 통해 $Z'$ 를 고의미 수준에서 배제할 수 있는가?
• RQ5 입자 빔 운동량 비대칭성($x > \bar{x}$) 이 $Z^*$ 와 $Z'$ 의 경우 레프톤 의사속도 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 콜린스–소퍼 각도 분포에서 $Z^*$ 보손은 $\cos\theta^*_{\text{CS}} = 0$ 에 깊은 곡절이 있는 고유한 '매봉형' 형태를 보이며, 이는 $Z'$ 분포에는 존재하지 않는다.
• $Z^*$ 의 중심-변형 대칭성 $A_{CE}$ 는 $-0.69 \pm 0.10$ 으로, $Z'$ 의 $-0.11 \pm 0.06$ 와 유의미하게 다름을 보이며, 5σ 수준에서 차이가 난다.
• 레프톤의 횡방향 운동량 분포에서 $Z^*$ 보손은 $1/\sqrt{1 - \beta^2}$ 특이점이 없기 때문에 운동량 끝점에서 잭비안 피크가 없으며, 이는 $Z'$ 와 다름을 보인다.
• $Z^*$ 보손의 의사속도 분포는 입자 빔의 정지 기준에서 금지된 방출 평면로 인해 $\eta_\ell = 0$ 에서 곡절을 보이며, $\sqrt{s} = 10$ TeV 에서는 관측 가능하지만, $14$ TeV 에서는 더 높은 보정으로 인해 억제된다.
• $Z^*$ 의 각도 분포는 입자 빔 운동량 비대칭성에 민감하지 않으며, $\bar{x} < x$ 이지만 $d\bar{d}$ 와 $\bar{d}d$ 기여의 반대 방향 이동으로 인해 대칭적인 형태를 유지한다.
• $A_{CE}$ 대칭성은 강인하며, 초기 LHC 데이터에서 높은 유의수준으로 측정 가능하며, $Z'$ 를 배제하고 $Z^*$ 를 확인하는 데 청명한 서명을 제공한다.