[논문 리뷰] Physics performances for Z' searches at 3 TeV and 1.5 TeV CLIC

Jean-Jacques Blaising, James D. Wells|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CLIC 충돌기에서 $\sqrt{s} = 1.4$ TeV 및 3 TeV에서 작동할 때 최소한의 비 anomalies-free $Z^{\prime}$ (AFZ$^\prime$) 모델에서 $Z^{\prime}$ 보손의 발견 잠재력과 결합 정밀도를 평가한다. $e^{+}e^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 사건에서 총 단면적, 전방-후방 및 왼쪽-오른쪽 비대칭을 사용하여, CLIC가 $Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$ 결합을 2–20% 정밀도로 측정할 수 있음을 입증한다. 이는 편광된 입자 비임에도 불구하고 $Z^{\prime}$ 질량이 최대 50 TeV일 경우에도 성립한다.

ABSTRACT

Extra neutral gauge bosons (Z') are predicted in many extensions of the Standard Model (SM). In the minimal anomaly-free Z' model (AFZ'), the phenomenology is controlled by only three parameters beyond the SM ones, the Z' mass and two effective coupling constants g'_Y and g'_{BL}. We study the Z' 5-sigma discovery potential in e+e- collisions at 1.4 and 3 TeV CLIC. Assuming LHC discovers a Z' of 5 TeV mass, the expected accuracies on the Z'mu+mu- couplings are presented. We discuss also the requirements on detector performance and beam polarization.

연구 동기 및 목표

• CLIC가 $\sqrt{s} = 1.4$ TeV 및 3 TeV에서 작동할 때 최소한의 비 anomalies-free $Z^{\prime}$ (AFZ$^\prime$) 모델에서 $Z^{\prime}$ 보손의 $5\sigma$ 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• LHC에서 5 TeV에서 $Z^{\prime}$ 를 발견한 경우, $Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$ 결합($g^{\prime}_{Y}$, $g^{\prime}_{BL}$)이 얼마나 정밀하게 측정될 수 있는지 평가하기 위해.
• 편광된 입자 및 검출기 성능이 결합 측정 정밀도 향상에 기여하는 방식을 조사하기 위해.
• CLIC가 충돌기의 질량 중심 에너지를 훨씬 초월하는 $Z^{\prime}$ 상태를 얼마나 민감하게 탐지할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 표준모형(SM) 과정은 Whizard 6.4를, AFZ$^\prime$ 모델 과정은 Whizard 2.0을 사용하여 이벤트 생성을 수행하였다.
• GuineaPig 빔 시뮬레이션과 CDR 가속기 파arameters를 활용하여 빔스트랄링 및 初기 상태 복사 효과를 통합하였다.
• $e^{+}e^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 사건에서 총 단면적($\sigma_{\text{tot}}$), 전방-후방 비대칭($A_{\text{FB}}$), 왼쪽-오른쪽 비대칭($A_{\text{LR}}$)의 세 가지 핵심 관측량을 사용하였다.
• 신호 효율을 높이기 위해 SM 및 빔 유도 배경을 억제하기 위한 선택 조건을 적용하였으며, 1.4 TeV에서의 신호 효율은 15.1%, 3 TeV에서는 5.9%였다.
• 왼쪽-오른쪽 비대칭을 측정하기 위해 전자 빔에 $+80\%$ 및 $-80\%$의 편광을 적용하였고, 양전자 빔은 편광되지 않은 상태로 유지하였다.
• 이론적 예측를 시뮬레이션 데이터에 피팅하여 $3\sigma$ 신뢰 수준에서 $Z^{\prime}$ 결합 및 그 불확실성을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CLIC가 1.4 TeV 및 3 TeV에서 작동할 때 AFZ$^\prime$ 모델에서 $Z^{\prime}$ 보손의 $5\sigma$ 발견 잠재력은 어떠한가?
• RQ2 LHC에서 5 TeV에서 $Z^{\prime}$ 를 발견한 경우, CLIC는 $Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$ 결합($g^{\prime}_{Y}$, $g^{\prime}_{BL}$)을 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 편광된 입자가 $Z^{\prime}$ 결합 측정 및 발견 잠재력에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 특히 LHC에서 생성할 수 없는 너무 무거운 $Z^{\prime}$ 상태에 대해 CLIC는 얼마나 깊이 탐색할 수 있는가?
• RQ5 AFZ$^\prime$ 모델의 매개변수 공간 전반에서 $g^{\prime}_{Y}$ 및 $g^{\prime}_{BL}$의 불확실성은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• $\sqrt{s} = 1.4$ TeV 및 통합 루미노사티가 500 fb$^{-1}$일 경우, CLIC는 대부분의 매개변수 공간에서 $Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$ 결합을 2–20% 정밀도로 측정할 수 있다.
• $g^{\prime}_{Y} = 0.02$ 및 $g^{\prime}_{BL} = 0.2$일 경우, ($g^{\prime}_{Y}$, $g^{\prime}_{BL}$) 평면에서 $3\sigma$ 등고선은 두 결합이 모두 양수일 때 약 2%의 정밀도를 보인다.
• $g^{\prime}_{Y}$ 가 음수이고 $g^{\prime}_{BL}$ 이 양수일 경우(예: $g^{\prime}_{Y} = -0.5$, $g^{\prime}_{BL} = 0.02$), 결합 정밀도는 약 20%로 떨어진다.
• 편광된 입자는 정밀한 결합 측정에 필수적이며, $g^{\prime}_{Y}$ 와 $g^{\prime}_{BL}$ 을 구분하는 데 상당한 기여를 하지만, 발견 잠재력 향상에는 미미한 영향을 미친다.
• CLIC는 $Z^{\prime}$ 질량이 1.4 TeV에서 최대 30 TeV, 3 TeV에서 최대 50 TeV일 경우에도 표준모형의 이심을 감지할 수 있다. 이는 $M_{Z^\prime}$ 의 함수로 변하는 감도를 가진 감쇠 결합 덕분이다.
• 신호 선택 효율은 1.4 TeV에서 15.1%, 3 TeV에서 5.9%이며, 운동량 및 위상 구조적 절단을 통해 효과적인 배경 억제가 이루어졌다.