[논문 리뷰] Introduction to the MCnet Moses project and Heavy gauge bosons search at the LHC

G. Bella, E. Etzion외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 초과 차원을 포함한 모델에서 LHC에서의 전체 이벤트 물리 현상을 시뮬레이션하기 위한 Moses C++ 프레임워크를 제시한다. 특히, Kaluza-Klein (KK) $\gamma^*/Z^*$ 게이지 보손과 $Z^\prime$ 보손 간의 구별 가능성을 시험한다. Pythia8과 연동된 Moses를 사용하여, 100 fb$^{-1}$ 루미노사티가 있을 경우, 불변 질량 및 각도 분포에 대한 Kolmogorov-Smirnov 검정을 통해 전체 검출기 시뮬레이션을 거치지 않은 상태에서도 스피너-1 KK 모델과 $Z^\prime$ 모델을 구별할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

This is a technical document that provides supporting information and details of the publicly available code used for the preparation of the analysis for preprint "{\it A search for heavy Kaluza-Klein electroweak gauge bosons at the LHC}" (submitted to JHEP). The {\sc Moses} C++ framework is a project written for probing and developing new models for High Energy Physics processes which allows complete events to be simulated by interface with the standard simulation program Pythia8. This paper demonstrates the usage of {\sc Moses} in a study of the nature of Kaluza-Klein (KK) excitations in a specific model where the SU(2) imes U(1) gauge fields can exist in a single Extra Dimension (ED) compactified on a $S^1/Z_2$ orbifold, while the matter fermions and SU(3) gauge fields are localized in the 3d-brane. Using this framework, the events have been fully simulated at hadron level including initial and final state radiation. The study of particle decays was used to develop a method to distinguish between this Kaluza-Klein model and processes with similar final states. As a consequence, the possibility of observing and identifying a signal of the first excited KK state of the $γ/Z^0$ bosons in the LHC is also discussed.

연구 동기 및 목표

• 초과 차원을 포함한 새로운 물리 모델의 전체 하드론 수준 이벤트 생성이 가능한 시뮬레이션 프레임워크 개발.
• 유사한 최종 상태를 가진 Kaluza-Klein $\gamma^*/Z^*$ 공명체와 $Z^\prime$ 보손 간의 구별 가능성 테스트.
• BSM 시나리오에 적용하기 전에 표준모형(SM) 과정을 활용해 방법의 유효성 검증.
• 특히 $\sqrt{\hat{s}}$ 및 $\cos\theta^\prime$와 같은 운동량 분포의 민감도 평가를 통해 LHC에서 스피너-1 공명체 식별.
• 불변 질량 및 각도 분포를 활용해 100 fb⁻¹ 루미노사티로도 KK 모델과 $Z^\prime$ 모델 간의 구별이 가능함을 입증.

제안 방법

• Moses C++ 프레임워크는 Pythia8과 연동되어 BSM 과정의 초기 및 최종 상태 복사 효과를 포함한 전체 이벤트 생성을 가능하게 한다.
• 모델은 5차원의 $SU(2)\times U(1)$ 게이지 이론으로, $S^1/Z_2$에 대해 압축된 구조이며, 물질 및 $SU(3)$ 필드는 3-brane에 국소화되어 있다고 가정한다.
• 14 TeV에서의 $pp \to \gamma^*/Z^* \to \ell^+\ell^-$ 과정을 전체적으로 시뮬레이션하며, ISR 효과는 전용 운동량 재구성 기법으로 처리한다.
• 공명체의 스피너-1 성격을 탐색하기 위해 각도 분포 및 정면-뒤쪽 비대칭도 $A_{fb}^{CS}$를 추출한다.
• 비구속된 $\sqrt{\hat{s}}$ 및 $\cos\theta^\prime$ 분포에 대해 Kolmogorov-Smirnov 검정을 적용하여 가짜 데이터와 몬테카를로 기준 샘플 간 비교를 수행한다.
• 이 방법은 BSM 시나리오에 적용하기 전에 표준모형 $\gamma/Z^0$ 과정을 대상으로 유효성 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Moses 프레임워크는 초과 차원을 포함한 5차원 모델에서 Kaluza-Klein 게이지 보손의 전체 이벤트 과정을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 이중 렙톤 최종 상태의 불변 질량 및 각도 분포는 LHC에서 KK $\gamma^*/Z^*$ 공명체와 $Z^\prime$ 보손을 구별할 수 있는가?
• RQ3 Kolmogorov-Smirnov 검정이 KK 및 $Z^\prime$ 모델 간에 신뢰성 있게 구별할 수 있는 통합 루미노사티는 어느 정도인가?
• RQ4 ISR 효과는 이러한 모델에서 운동량 재구성 및 구별 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 낮은 루미노사티 조건에서 정면-뒤쪽 비대칭도 $A_{fb}^{CS}$는 추가적인 구별 능력을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 불변 질량 분포에 대한 Kolmogorov-Smirnov 검정 결과, 100 fb⁻¹ 및 500 fb⁻¹ 루미노사티 조건에서 KK 모델과 $Z^\prime_{\rm{SM}}$ 모델 간에 명확한 차이가 드러났다.
• 100 fb⁻¹ 조건에서 $Z^\prime_{\rm{SM}}$ 모델과 가짜 데이터 간의 호환성에 대한 $p$-값은 약 0.016에 불과하여, 이는 KK 모델과의 강력한 통계적 차이를 시사한다.
• 최대우도 추정 및 Kolmogorov-Smirnov 검정을 통한 $\cos\theta^\prime$ 분포 분석은 특히 500 fb⁻¹ 조건에서 강력한 지지 근거를 제공한다.
• 정면-뒤쪽 비대칭도 $A_{fb}^{CS}$는 100 fb⁻¹ 조건에서는 정밀한 구별에 부적합하지만, 루미노사티가 증가함에 따라 향상된다.
• ISR 효과가 존재하더라도 분석 전략이 철저한 운동량 재구성으로 이를 보완함에 따라 방법은 여전히 타당하다.
• 미래 단계에서 전체 이벤트 시뮬레이션 및 검출기 효과를 고려할 경우, 약 4 TeV 부근의 공명은 100 fb⁻¹ 루미노사티로도 식별 가능하다.