[논문 리뷰] Leptophobic boson signals with leptons, jets and missing energy

Bogdan A. Dobrescu|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 38인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 렙톤과 결합하지 않는 렙토파빅 $Z^\prime$ 보손—즉, 렙톤과 직접 결합하지 않는 게이지 보손—이 이상론자(anomalons)를 통해 계단형 붕괴를 겪어 LHC에서 검출 가능한 신호를 낼 수 있다고 제안한다. 이상론자는 게이지 이상을 상쇄하기 위해 필요한 새로운 페르미온이다. 이러한 붕괴는 렙톤, 제트, 그리고 누락된 에너지를 포함한 최종 상태를 낳으며, CMS와 ATLAS의 초과 현상들을 설명할 수 있는 새로운 물리학의 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Color-singlet gauge bosons with renormalizable couplings to quarks but not to leptons must interact with additional fermions ("anomalons") required to cancel the gauge anomalies. Analyzing the decays of such leptophobic bosons into anomalons, I show that they produce final states involving leptons at the LHC. Resonant production of a flavor-universal leptophobic $Z'$ boson leads to cascade decays via anomalons, whose signatures include a leptonically decaying $Z$, missing energy and several jets. A $Z'$ boson that couples to the right-handed quarks of the first and second generations undergoes cascade decays that violate lepton universality and include signals with two leptons and jets, or with a Higgs boson, a lepton, a $W$ and missing energy.

연구 동기 및 목표

• 렙톤과 직접 결합하지 않지만 계단형 붕괴를 통해 렙톤-rich 최종 상태를 낳는 렙토파빅 $Z^\prime$ 보손의 충돌기 서명을 탐색하기.
• 게이지 이상을 상쇄하기 위해 이상론자를 포함하는, $U(1)_B$ 및 $U(1)_{R12}$와 같은 타당한 $U(1)$ 게이지 모형을 식별하기.
• CMS와 ATLAS의 관측 초과 현상(예: ATLAS의 $Z+\slashed{E}_T+\text{jets}$ 및 CMS의 $eejj$, $e\nu jj$)을 이러한 $Z^\prime$ 보손의 이상론자를 통한 붕괴로 설명하기.
• 특히 풍미-변경 중성미세류 및 $b$-쿼크 태깅을 고려할 때 LHC 제약 조건 하에서 이러한 모형의 현상학적 타당성 평가하기.

제안 방법

• 렙톤과는 결합하지 않지만 쿼크와는 결합하는 렙토파빅 $Z^\prime$ 보손을 포함한 $U(1)$ 게이지 모형을 구성하며, 새로운 벡터형 페르미온(이상론자)을 통해 이상을 상쇄시키기.
• 계단형 붕괴 체인 분석: $Z^\prime \to \text{이상론자 쌍} \to Z/W/H + \text{기타 페르미온} + \slashed{E}_T$, 최종 상태로 $Z^\ell\ell$, $W\ell\slashed{E}_T$, 또는 $h^0\to b\bar{b}$ 포함.
• LHC에서의 $Z^\prime$ 생성 단면적을 최초 주의계로 계산 (예: $M_{Z^\prime}=2$ TeV일 때 8 TeV에서 약 ~140 fb). 주요 붕괴 모드의 분해율 계산.
• CMS와 ATLAS의 실험 데이터를 활용하여 예측된 신호율(예: $(Je)(Je)$에 대해 약 ~7 fb, $h^0W\to b\bar{b}e\nu$에 대해 약 ~2 건)을 관측 초과 현상과 비교.
• $b$-태깅 및 제트 융합 기술을 적용하여 $b\bar{b}$-rich 최종 상태를 식별하고, 특히 강력하게 운동하는 힉스 붕괴의 배경을 감소시키기.
• Run II(13 TeV) LHC 데이터에서 신호 대 배경 비율과 타당성을 평가하며, 특히 $Z^\prime_{R12}$의 $h^0eW\nu$ 붕괴($B \approx 0.91\%$)에 초점.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렙톤과 직접 결합하지 않는 렙토파빅 $Z^\prime$ 보손이 LHC에서 검출 가능한 렙톤-rich 최종 상태를 낳을 수 있는가?
• RQ2 게이지 이상을 이상론자를 통해 상쇄시키는 렙토파빅 $Z^\prime$ 보손을 포함한 현상학적으로 타당한 $U(1)$ 게이지 모형은 무엇인가?
• RQ3 $Z^\prime_{R12}$ 모형이 음성 이상론자와 $W$ 보손을 포함한 계단형 붕괴를 통해 CMS의 $eejj$ 및 $e\nu jj$ 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ4 $Z^\prime_{R12}$의 $h^0eW\nu$ 붕괴에 대한 예상된 신호율과 배경은 무엇이며, Run II에서 검증 가능할 수 있는가?
• RQ5 $b$-태깅 및 제트 융합 기술이 이러한 모형에서 QCD 배경과 구별되는 $b\bar{b}$-rich 신호를 식별하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• $U(1)_B$ 대칭을 가진 $Z^\prime_{B}$ 모형은 계단형 붕괴를 통해 렙톤으로 붕괴하는 $Z$, 누락된 에너지, 제트를 낳으며, ATLAS의 $Z+\slashed{E}_T+\text{jets}$ 초과 현상에 설명 가능할 수 있다.
• $M_{Z^\prime}=2$ TeV 및 $g_z \approx 0.5$ 조건에서 $Z^\prime_{R12}$ 모형은 $(Je)(Je)$ 최종 상태에 대해 약 ~7 fb의 신호 단면적을 예측하며, 이는 20 fb$^{-1}$ 데이터로 CMS의 $eejj$ 초과 현상을 설명하기에 충분하다.
• $Z^\prime_{R12}$ 모형은 $Z^\prime_{R12} \to h^0 e W \nu$ 붕괴 모드를 가지며, 분해율이 $\approx 0.91\%$로 예측되며, $M_{Z^\prime}=2$ TeV 및 $g_z \approx 0.5$ 조건에서 약 ~2 건의 사건을 낳는다.
• $Z^\prime_{R12}$ 신호에서 $h^0\to b\bar{b}$, $e$, $\slashed{E}_T$, 그리고 강력하게 운동하는 $W$에서 유래한 넓은 제트를 포함할 경우, 1.3–1.7 TeV 범위에서 배경은 약 ~1.2 건으로 예측되어 Run II에서 검증 가능하다.
• $b\bar{b}$ 제트의 비율은 $f_1 \approx 45\%$ (단일 $b\bar{b}$) 및 $f_2 \approx 15\%$ (융합된 $b\bar{b}$)이며, $b$-태깅이 적용될 경우 CMS 관측 결과와 일치할 수 있다.
• $Z^\prime_{R12}$ 모형은 렙톤 유니버설리티를 위반하며, $e$-와 $\mu$-rich 최종 상태에 대해 비유니버설적인 설명을 제공하여 표준모형 예측과 구별된다.