[논문 리뷰] Dissecting the Wjj Anomaly: Diagnostic Tests of a Leptophobic Z'

J.L. Hewett, T. G. Rizzo|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CDF의 $Wjj$ 비정상 현상의 기원으로서 렙토파빅 $Z^{\backprime}$ 보손을 조사하며, 횡단면 제약 조건과 이제트 데이터를 사용하여 업 쿼크와 다운 쿼크에 대한 허용 가능한 결합 영역을 결정한다. LHC에서 $W+Z^{\backprime}$ 및 $Z/\backslash\text{γ}+Z^{\backprime}$ 연관 생성이 관측 가능할 것으로 예측되며, 작고 Tevatron의 비율에도 불구하고 운동량 분포가 $Z^{\backprime}$ 결합을 확인하는 핵심 진단 도구가 된다.

ABSTRACT

We examine the scenario where a leptophobic Z' boson accounts for the excess of events in the Wjj channel as observed by CDF. We assume generation independent couplings for the Z' and obtain allowed regions for the four hadronic couplings using the cross section range quoted by CDF as well as constraints from dijet production at UA2. These coupling regions translate into well-determined rates for the associated production of Z/γ+Z' at the Tevatron and LHC, as well as W+Z' at the LHC,that are directly correlated with the Wjj rate observed at the Tevatron. The Wjj rate at the LHC is large and this channel should be observed soon once the SM backgrounds are under control. The rates for Z/γ+Z' associated production are smaller, and these processes should not yet have been observed at the Tevatron given the expected SM backgrounds. In addition, we also show that valuable coupling information is obtainable from the distributions of other kinematic variables, e.g., M_{WZ'}, p_T^W, and \cos θ_W^*. Once detected, these associated production processes and the corresponding kinematic distributions examined here will provide further valuable information on the Z' boson couplings.

연구 동기 및 목표

• 렙토파빅 $Z^{\backprime}$ 보손의 타당한 결합 영역을 특정하여 CDF $Wjj$ 비정상 현상을 설명하고 기존 제약 조건을 만족시키는 것.
• CDF 횡단면 데이터와 UA2 이제트 한계를 사용하여 $Z^{\backprime}$의 왼쪽 및 오른쪽 편향 업 쿼크와 다운 쿼크에 대한 결합을 제약하는 것.
• Tevatron 및 LHC에서 $W+Z^{\backprime}$ 및 $Z/\gamma+Z^{\backprime}$ 연관 생성의 관측 가능한 생성률을 예측하는 것.
• 운동량 분포—$M_{WZ^{\backprime}}$, $p_T^W$, $\cos\theta_W^*$, $\beta_{Z^{\prime}}$—가 $Z^{\backprime}$ 결합에 대한 추가적인 모델 독립적 정보를 제공함을 보여주는 것.
• SM 배경 수준과 통합 루미노사티이를 고려할 때 LHC 및 Tevatron에서 $Z^{\backprime}$ 신호의 검출 가능성 평가.

제안 방법

• CDF에서 보고한 $Wjj$ 횡단면 범위(4.3 fb⁻¹)와 UA2에서의 이젠트 생산 제약 조건을 사용하여 $Z^{\backprime}$의 네 가지 강입자 결합—$u_L, u_R, d_L, d_R$—를 제약한다.
• 세대 독립성과 렙토파빅성을 가정하여 직접적인 $Z^{\backprime}$ 이론자 검색과 $Z-Z^{\backprime}$ 혼합($<10^{-3}$)을 피함으로써 정밀 전자약력학 데이터를 유지한다.
• 유도된 결합 영역을 사용하여 Tevatron 및 LHC에서 $W+Z^{\backprime}$ 및 $Z/\gamma+Z^{\backprime}$ 생산의 이론적 횡단면을 계산한다.
• 차별 분포—$d\sigma/dM_{WZ^{\backprime}}$, $d\sigma/dz$ ($z=\cos\theta^*$), $p_T^W$, $y_W$, $\beta_{Z^{\prime}}$—를 분석하여 결합 정보를 추출하며, 특히 왼쪽 편향 쿼크 결합에 초점을 맞춘다.
• 예측된 생성률을 기대되는 SM 배경과 비교하여 Tevatron 및 LHC에서의 검출 가능성 평가.
• LEPII 에너지에서의 $e^+e^- \to q\bar{q}Z^\prime$ 브레머스트라할링을 평가하여 이 채널이 제약 조건으로서 제거됨을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렙토파빅 $Z^\prime$ 보손의 왼쪽 및 오른쪽 편향 결합에 대한 허용 영역은 무엇이며, CDF $Wjj$ 비정상 현상을 재현할 수 있는가?
• RQ2 UA2 이젠트 데이터 제약과 D0에서의 $Z^\prime$ 비관측 결과가 타당한 결합 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ3 Tevatron 및 LHC에서 $Z^\prime$ 가설 하에 $W+Z^\prime$ 및 $Z/\gamma+Z^\prime}$ 연관 생성의 예측 횡단면은 무엇인가?
• RQ4 운동량 분포—예를 들어 $M_{WZ^\prime}$, $p_T^W$, $\beta_{Z^\prime}$—는 $u_L - d_L$ 결합 구조에 대해 독립적인 정보를 제공할 수 있는가?
• RQ5 현재 루미노사티이와 SM 배경 제어 조건 하에서 LHC에서의 $W+Z^\prime$ 채널이 관측 가능할 것으로 기대되는가?

주요 결과

• CDF $Wjj$ 데이터, UA2 이젠트 제약, D0에서의 $Z^\prime$ 비관측 결과의 조합으로 $Z^\prime$의 허용 결합 영역이 크게 제한되며, 특히 오른쪽 편향 결합이 제한된다.
• LHC에서의 $W+Z^\prime$ 연관 생성 횡단면은 SM 배경가 제어된 후 몇 fb⁻¹의 통합 루미노사티이로 관측 가능할 정도로 크다.
• Tevatron에서의 $Z/\gamma+Z^\prime$ 연관 생성률은 작고 SM 배경으로 인해 현재 데이터로는 관측되기 어려우나, LHC에서는 여전히 측정 가능하다.
• 운동량 분포—$d\sigma/dM_{WZ^\prime}$, $d\sigma/dz$, $p_T^W$, $\beta_{Z^\prime}$—는 $u_L - d_L$ 결합 차이에 매우 민감하며 $Z^\prime$ 결합 구조에 대한 핵심 정보를 제공할 수 있다.
• $W^\pm$의 $p_T$ 스펙트럼은 $u_L$과 $d_L$의 차이에 특히 민감하며, 더 큰 격리가 더 높은 스펙트럼을 유도하여 직접적인 결합 결정이 가능하다.
• $Z^\prime$의 속도 분포($\beta$)는 결합에 민감하며, $u_L \neq d_L$일 경우 더 높은 값에서 피크를 이룬다. 이는 $Z^\prime$의 스핀-1 성질을 검증하는 데 기여한다.