[논문 리뷰] Observing nonstandard $W'$ and $Z'$ through the third generation and Higgs lens

Lisa Edelhäuser, Alexander Knochel|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 제3세대 페르미온이 더 강하게 상호작용하는 가족 비일관성 있는 $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ 모델에서 LHC의 무거운 $W'$ 및 $Z'$ 보손에 대한 탐색을 재해석한다. 제3세대 붕괴 채널이 배제 한계와 경쟁 가능하지만, 너비 효과로 인해 감도가 크게 감소하며, 힉스 스트로베이션 탐색($Vh$ 생성)이 $V'$ 질량에 대해 강력한 제약을 제공함을 보여준다. 특히 $p_T^{V}$ 및 $m_{bb}$ 컷을 최적화할 경우 더욱 그렇다.

ABSTRACT

We reinterpret $W'$, $Z'$ and Higgs searches at the LHC in terms of a model with nonuniversal $V'$ couplings to fermions in order to gauge how well these searches can be applied outside the (simplified) scenarios for which they were optimized. In particular, we consider bounds from $V'$ searches in final states $ττ$, $eν$, $ll$ and $t b$, and discuss the impact of width effects. We then show that decays of the type $V' ightarrow V h$ yield additional bounds on the heavy vector masses and, in the case of a discovery, provide an important probe of the heavy sector. Finally, we match the low energy limit of the model to an effective theory and compare the bounds on the resulting dimension-6 operators with the direct searches discussed in this paper.

연구 동기 및 목표

• 기본 순차 모델 외의 상황에서 기존 LHC 탐색이 $W'$ 및 $Z'$에 대해 어떤 감도를 가지는지 평가하는 것, 특히 페르미온에 대한 비일관성 있는 결합을 가진 모델에서의 경우.
• 제3세대 결합 강도 증가가 $W'$ 및 $Z'$ 붕괴 너비에 미치는 영향과 형태 기반 및 단일 박스 분석의 배제 한계에 대한 영향 평가.
• 무거운 힉스 상태가 접근 불가능한 경우에도 $V' h$ 연관 생성이 $V'$ 질량과 결합 상수를 탐색하는 데 가능성을 탐색하는 것.
• 효과적 장 이론(EFT) 연산자, 특히 $\mathcal{O}_W$를 통한 유도된 제약와 직접 LHC 탐색 결과를 비교하는 것, 모델의 저에너지 근사에서의 경우.
• 모델에 의존적인 간섭 및 너비 효과가 표준 탐색 전략의 감도 범위를 어떻게 변화시키는지 정량화하는 것, 특히 $W' \to tb$ 및 $Z' \to \tau\tau$ 채널에서의 경우.

제안 방법

• 비일관성 있는 결합을 가진 $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ 모델의 맥락에서 ATLAS 및 CMS의 $W' \to tb$, $W' \to \ell\nu$, $Z' \to t\bar{t}$, $Z' \to ll$, $Z' \to \tau\tau$ 탐색을 재해석한다.
• 문헌 [9] 및 [10]에서 제시한 $M_T^{\text{min}}$ 기반 단일 박스 분석을 적용하여 수치 시뮬레이션을 통해 너비 효과를 고려한 수용율 및 배제 능력을 추정한다.
• 기존의 $pp \to Vh \to b\bar{b} + 0l,1l,2l$ 힉스 탐색 데이터를 재사용하여 $V' \to Vh$ 붕괴에 대한 제약 조건을 유도하며, 핵심 결합 관계로 $g_{V'Vh} \propto s_E^2 - s_\beta^2$ 를 사용한다.
• 특히 강력하게 운동하는 힉스 보손의 경우 감도를 향상시키기 위해 $p_T^V$ 및 $m_{bb}$ 등의 최적화된 운동학적 컷을 적용한다.
• 모델의 저에너지 근사를 효과적 장 이론(EFT)으로 매칭하여, $\mathcal{O}_W$와 같은 차수 6 연산자의 윌슨 계수를 식별한다.
• 직접 LHC 제약와 EFT 기반 제약를 비교하며, $g_1, g_2 < 1$ 인 영역에서 직접 탐색이 EFT 감도를 뛰어넘는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제3세대 결합 강도 증가가 $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ 모델에서 표준 순차 모델 대비 LHC의 $W'$ 및 $Z'$ 탐색 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 제3세대 페르미온 붕괴에 의한 너비 효과가 형태 기반 및 단일 박스 LHC 분석에서 유도된 배제 한계에 얼마나 큰 왜곡을 초래하는가?
• RQ3 무거운 힉스 보행이 접근 불가능한 경우에도 힉스 탐색 최종 상태에서의 $V' h$ 연관 생성이 $V'$ 질량에 대해 경쟁 가능한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ4 모델의 저에너지 근사에서 직접 LHC 탐색 감도와 $\mathcal{O}_W$와 같은 차수 6 연산자에 대한 EFT 기반 제약 조건 간의 비교는 어떻게 이루어지는가?
• RQ5 $V' \to Vh$ 붕괴 채널이 중량 있는 벡터 보손 영역을 주로 탐색하는 데 기여하는 매개변수 영역은 어디이며, 어떻게 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 표현 $\cot_E > 1$ 일 경우, $W' \to tb$ 및 $Z' \to \tau\tau$ 와 같은 제3세대 붕괴 채널이 더 큰 너비에도 불구하고 표준 $W'$ 및 $Z'$ 탐색과 경쟁 가능해진다.
• 너비 효과로 인해 형태 기반 분석에서 배제 능력이 약 $O(100)$ GeV 과대평가될 수 있으며, 이는 표준 한계의 신뢰도를 크게 떨어뜨린다.
• $Z' \to \tau\tau$ 에서의 $M_T^{\text{min}}$ 기반 단일 박스 탐색은 수용율에 대해 더 신뢰할 수 있는 추정치를 제공하며, 단일 토퍼 생산과의 간섭을 고려할 경우 약 $\sim 200$ GeV 더 약한 한계를 제공한다.
• 히iggs 스트로베이션 탐색($pp \to Vh$)은 최적화되지 않은 컷을 사용할 경우 $M_{W'}^\prime = M_{Z'}^\prime > 1300$ GeV 의 하한을 제공하며, 이는 $|c_W| < 0.0038$ 와 대응된다.
• 각 질량 가설에 대해 $p_T^V$ 및 $m_{bb}$ 컷을 최적화하면 감도가 크게 향상되며, 특히 강력하게 운동하는 힉스 보손 영역에서 두드러진다.
• 약한 결합 영역($g_1, g_2 < 1$)에서는 직접 탐색이 EFT 기반 제약보다 더 민감하지만, $\cot_E > 1$ 일 경우 직접 탐색의 감도는 감소하고 윌슨 계수는 안정적으로 유지된다.