[논문 리뷰] New Color-Octet Vector Boson?

Bo-Wen Xiao, You-kai Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 CDF와 D0에서 관측된 top 쿼크 쌍 생성에서의 전방-후방 비대칭성($A_{FB}$)과 진동 질량 분포($d\sigma/dM_{t\bar{t}}$)을 설명하기 위해, top 쿼크 질량의 두 배보다 약간 큰 질량($M_C \sim 360$ GeV)을 가진 새로운 색-팔중성의 질량 있는 벡터 보손 $Z_C$를 제안한다. $Z_C$는 s-채널 $q\bar{q} \to t\bar{t}$를 통해 top 쌍 생성을 매개하며, QCD 암시와 간섭하여 $A_{FB}$를 생성하면서도 $M_{t\bar{t}}$ 분포의 형태를 유지한다. 이 모델은 낮은 루미노시티 조건에서도 LHC에서 관측 가능한 서명을 갖는다.

ABSTRACT

Both CDF and D0 at Tevatron reported the measurements of forward-backward asymmetry in top pair production, which showed possible deviation from the standard model QCD prediction. In this paper, we show that a new color-octet massive vector boson with mass just above twice that of top quark can simultaneously account for the asymmetry and differential distribution $dσ/dM_{t\bar t}$ in top pair production, without conflict with other measurements for example di-jet production. The new particle can be discovered and studied at the more powerful Large Hadron Collider.

연구 동기 및 목표

• Tevatron에서 관측된 top 쿼크 쌍 생성의 $A_{FB}$를 설명함. 이는 SM QCD 예측과 약 2σ 정도의 편차를 보인다.
• 차분 단면적 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$를 왜곡 없이 설명함. 특히 고-$M_{t\bar{t}}$ 영역에서의 형태를 유지한다.
• 이중 제트 생성 및 동일 전하의 top 쿼크 생성 비율과 같은 다른 제약 조건과의 호환성을 확보한다.
• 이전의 $Z'$ 또는 $W'$ 모델과 무거운 축성-글루온 모델의 단점을 피하는 새로운 물리 모델을 제안한다.
• 특징적인 각도 및 진동 질량 분포를 통해 LHC에서 새로운 입자를 발견하고 연구할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 쿼크와의 축성-벡터 상호작용을 통해 결합하는 질량 $M_C > 2m_t$를 가진 새로운 색-팔중성 질량 있는 벡터 보손 $Z_C$를 도입한다.
• top 쿼크와 경량 쿼크에 대한 $Z_C$ 결합을 위한 효과적 라그랑지안을 구성하며, 이는 top 쿼크에 비해 경량 쿼크보다 더 강한 결합을 가진다.
• SM QCD 암시와의 간섭을 포함하여 $Z_C$ 모델에서의 top 쌍 생성 단면적 $\sigma$와 전방-후방 비대칭성 $A_{FB}$를 계산한다.
• LHC에서의 주요 관측량으로 일방향 전방-후방 비대칭성 $\sigma^{A_{\text{OFB}}}$를 정의한다. 이는 $z$-방향 운동량 절단을 통해 정의된다.
• QCD 배경을 억제하기 위해 운동량 절단을 적용한다: $P_{t\bar{t},\text{cut}}^z = 600$ GeV (7 TeV) 및 $1.2$ TeV (14 TeV)이다.
• 루미노시티 $\mathscr{L} = 10$ fb$^{-1}$ 조건에서 신호의 유의성 $Sig = (\sigma^{A_{\text{OFB}}}_{\text{SM}+Z_C} - \sigma^{A_{\text{OFB}}}_{\text{SM}})/\sqrt{\sigma_{\text{SM}}} \times \sqrt{\mathscr{L}}$를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 색-팔중성 벡터 보손이 다른 제약 조건을 위반하지 않으면서도 $A_{FB}$ 이상현상과 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ 분포를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 축성-벡터 결합을 가진 저질량 $Z_C$($M_C \sim 360$ GeV)가 관측된 $A_{FB}$를 재현하면서도 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$의 SM 유사 형태를 유지하는가?
• RQ3 LHC에서의 각도 및 진동 질량 분포를 통해 이 $Z_C$ 모델이 $Z'$ 또는 축성-글루온 모델과 구별될 수 있는가?
• RQ4 실제 루미노시티와 운동량 절단 조건 하에서 $Z_C$의 검출 가능성은 어떠한가?
• RQ5 $Z_C$의 top 쿼크와 경량 쿼크에 대한 결합 강도는 신호의 유의성과 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $M_C = 360$ GeV이고 쿼크와의 축성-벡터 결합을 가지는 $Z_C$ 보손은 CDF와 D0의 $A_{FB}$ 측정치와 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ 분포를 동시에 설명할 수 있으며, 고-$M_{t\bar{t}}$ 영역의 형태를 왜곡하지 않는다.
• LHC에서 $\sqrt{s} = 7$ TeV 및 $\mathscr{L} = 10$ fb$^{-1}$ 조건에서 $M_C = 360$ GeV일 경우 모델은 유의성 $21.62$를 예측하여 높은 발견 가능성과 함께 나타난다.
• 7 TeV에서 $Z_C$ 모델의 일방향 전방-후방 비대칭성 $\sigma^{A_{\text{OFB}}}$는 1670 fb에 도달하며, SM의 650 fb보다 크게 초과한다.
• 낮은 질량과 특정한 결합 구조 덕분에 $Z_C$ 모델은 이중 제트 생성 및 동일 전하의 top 쿼크 생성 제약 조건과 충돌하지 않는다.
• $Z_C$의 top 쿼크에 대한 결합은 경량 쿼크보다 훨씬 크지만, 같은 부호를 가지므로 전통적인 축성-글루온 모델과 구별된다.
• 이 모델은 top 쿼크 쌍 응집과 전자약력 대칭 붕괴와의 가능성을 시사하며, 모델 구축에 새로운 길을 열어준다.