[논문 리뷰] Prospects for a Heavy Vector-Like Charge 2/3 Quark T search at the LHC with \sqrt{s}=14 TeV and 33 TeV. "A Snowmass 2013 Whitepaper"

S. Bhattacharya, Jimin George외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √s = 14 TeV 및 33 TeV에서의 양성자-양성자 충돌을 이용해 무거운 벡터-유사 토크 쿼크 파artner(T)의 발견 잠재력을 평가한다. 다중 레프톤 및 레프톤+jets 최종 상태를 사용하고, 토크 태깅과 W 태깅을 통해 강화된 해체를 식별하여, 3 ab⁻¹ 루미노시티와 140 피크업 시에 33 TeV에서 최대 3.4 TeV까지의 95% 신뢰수준 배제 한계를 달성하며, 무거운 T 쿼크에 대해 뚜렷한 감도를 보임을 보여준다.

ABSTRACT

We present the prospects for the discovery or exclusion of heavy vector-like charge 2/3 quarks, T, in proton-proton collisions at two center-of-mass energies, 14 and 33 TeV at the LHC. In this note, the pair production of T quark and its antiparticle, with decays to W boson and a b quark (Wb), a top quark and the Higgs boson (tH), and a top quark and Z boson (tZ) are investigated. Higgs boson decays to $b\bar b$ and $W^+W^-$ final states are selected for this study.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 중심질량 에너지 14 TeV 및 33 TeV를 사용하여, 무거운 벡터-유사 전하 +2/3 쿼크(T)의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• T 쿼크의 쌍 생성을 연구하고, Wb, tH, tZ 최종 상태로 붕괴되며, 힉스 보손이 bb̄ 또는 W⁺W⁻로 붕괴되는 경우를 고려하기 위해.
• 단일 레프톤+jets 및 다중 레프톤 최종 상태를 조합한 다채널 분석 전략을 개발하고 적용하여 감도를 향상시키기 위해.
• 특히 고에너지 33 TeV 런에서의 영향을 고려하여, 피크업 및 루미노시티가 감도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 95% C.L., 5σ 및 3σ 유의수준에서 배제 및 발견을 위한 벤치마크 질량 한계를 제공하기 위해.

제안 방법

• T 쿼크 쌍 생성 및 Wb, tH, tZ 모드로의 붕괴를 위한 신호 생성에 MadGraph를 사용하며, 힉스 보손은 bb̄ 또는 W⁺W⁻로 붕괴된다.
• 표준모형 과정인 t̄t, V+jets, Drell-Yan, 이온-보손 및 토크 연관 과정을 위한 배경 시뮬레이션에 MadGraph와 Pythia6를 사용한다.
• 디텍터 효과 및 재구성 효율을 모델링하기 위해 Delphes와 Snowmass 빠른 시뮬레이션을 사용한 빠른 디텍터 시뮬레이션.
• 레프톤 식별(pT > 30 GeV), MET > 20 GeV 및 조건부 제트 다중도(200, 90, 50 GeV)를 기반으로 한 이벤트 선택.
• Cambridge-Aachen 군집화(R = 0.8)를 사용하여 강화된 토크 및 W/Z 붕괴를 식별하기 위해 토크 태깅 및 W 태깅 기법을 적용한다.
• 신호-배경 분리 향상을 위해 b-제트 다중도(0, 1, 2, ≥3) 및 레프톤 성분(e, μ)에 따라 이벤트를 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 14 TeV 및 33 TeV LHC 런에서 300 fb⁻¹ 및 3 ab⁻¹ 루미노시티 조건에서 무거운 벡터-유사 T 쿼크의 예상 발견 가능성이 어떻게 되는가?
• RQ2 피크업(0, 50, 140)이 다양한 최종 상태에서 T 쿼크 쌍 생성에 대한 감도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 레프톤+jets 및 다중 레프톤 최종 상태의 상대적 감도는 T 쿼크 발견에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 다양한 붕괴 모드(Wb, tH, tZ)가 전체 발견 가능성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 두 중심질량 에너지에서 T 쿼크 질량에 대한 예상 95% C.L. 배제 한계 및 5σ 발견 임계값은 무엇인가?

주요 결과

• √s = 14 TeV에서 3 ab⁻¹ 루미노시티와 140 피크업 조건에서, 통합 분석은 T 쿼크 질량에 대해 95% C.L. 배제 한계 1.78 TeV를 달성한다.
• √s = 14 TeV에서 3 ab⁻¹ 및 140 피크업 조건에서 5σ 발견 감도를 위해, 단일 레프톤+jets 및 다중 레프톤 채널의 통합 분석에서 예상 질량 도달 범위는 1.525 TeV이다.
• √s = 33 TeV에서 3 ab⁻¹ 및 140 피크업 조건에서, 통합 분석은 T 쿼크 질량에 대해 5σ 발견 감도 2.6 TeV에 도달한다.
• 단일 레프톤+jets 채널은 33 TeV에서 가장 높은 감도를 보이며, 5σ 발견 도달 범위는 2.42 TeV이다.
• 다중 레프톤 채널은 3 ab⁻¹ 및 140 피크업 조건에서 33 TeV에서 5σ 발견 도달 범위 2.25 TeV를 기록한다.
• 통합 분석에서 √s = 33 TeV에서 3 ab⁻¹ 및 140 피크업 조건에서 T 쿼크 질량에 대한 예상 95% C.L. 한계는 3.4 TeV에 도달한다.