[논문 리뷰] Resonant single leptoquark production at hadron colliders

Luca Buonocore, Ulrich Haisch외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 스칼라 렙토쿠아크을 위한 새로운 $s$-채널 공명 탐색을 제안하며, 감도를 향상시키기 위해 렙톤 파arton 분포 함수를 사용한다. LHC 런 II 데이터에서 고운동량 전자/미오닉과 제트 끝 상태를 이용해, 최소한의 첫 번째 및 두 번째 세대 스칼라 렙토쿠아크에 대해 지금까지 가장 엄격한 직접 한계를 설정한다.

ABSTRACT

A novel strategy to search for leptoquark (LQ) production at the Large Hadron Collider (LHC) is proposed. Our method relies on the observation that the probability to find a charged lepton with a given momentum fraction in the proton ($p$) is sufficiently large to allow for a measurable rate of $s$-channel production of a hypothetical LQ in $pp$ collisions. In our analysis, decay final states with a high transverse momentum ($p_T$) electron or muon and a high-$p_T$ light-flavour jet are targeted. Using the precision calculation of the lepton parton distribution functions that recently became available, we derive, for the case of scalar LQs, new bounds for the different flavour final states that arise from the LHC Run II. These limits represent the most stringent direct constraints to date on minimal first- and second-generation scalar LQs in large parts of the parameter space. The prospects of our method at future LHC runs are also explored.

연구 동기 및 목표

• 하드론 충돌기에서 파르티클 수준 반응을 통한 $s$-채널 생성을 이용한 렙토쿠아크 탐색 전략을 탐구하기 위해.
• 레프톤의 생산 단면적의 낮은 특성에 도전하기 위해, 양성자 내에서의 고운동량 비율을 갖는 렙톤의 특성을 활용하기 위해.
• 정밀도의 렙톤 파arton 분포 함수를 사용하여 첫 번째 및 두 번째 세대 스칼라 렙토쿠아크에 대한 개선된 직접 제약 조건을 유도하기 위해.
• 미래 LHC 런에 대한 이 방법의 감도를 평가하여 발견 또는 배제 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 양성자-양성자 충돌에서 스칼라 렙토쿠아크의 $s$-채널 생성을 활용하며, 초기 상태는 양성자 내부의 쿼크와 렙톤의 파르티클 구성 성분을 포함한다.
• 최근의 정밀도 렙톤 파arton 분포 함수(PDF) 계산을 적용하여, 양성자 내부의 렙톤 운동량 분포를 모델링한다.
• 신호 대 배경 비율을 향상시키기 위해 고운동량 전자 또는 미오닉과 고-$p_T$ 경량 쿼크 제트를 포함한 끝 상태에 집중한다.
• 레프톤-제트 시스템의 진동 질량 분포에서 공명 탐색을 수행하여 잠재적인 렙토쿠아크 피크를 식별한다.
• 노즈드-폭의 근사치를 가정하고, LHC 런 II 데이터를 사용하여 배제 한계를 추출한다.
• 기대 신호 및 배경 수익을 외삽하여 향후 LHC 런에 대한 이 방법의 감도를 전망한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양성자 내부의 내재된 렙톤을 포함한 파르티클 수준 반응을 통한 $s$-채널 렙토쿠아크 생성이 LHC에서 측정 가능한 신호를 유도할 수 있는가?
• RQ2 정밀도 렙톤 PDF가 표준 파톤 분포 함수에 비해 렙토쿠아크 탐색의 감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 이 새로운 방법을 사용하여 첫 번째 및 두 번째 세대 스칼라 렙토쿠아크에 대해 가장 엄격한 직접 한계는 무엇인가?
• RQ4 향후 LHC 런에서 통합 광량에 따라 이 공명 탐색 전략의 감도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이 방법이 렙토쿠아크 질량과 결합 계수 파rameter 공간의 어느 영역에서 가장 효과적인가?

주요 결과

• 이 방법은 파rameter 공간의 넓은 영역에서 지금까지 가장 엄격한 직접 제약 조건을 달성한다.
• 렙톤 PDF의 사용은 표준 PDF에 비해 $s$-채널 렙토쿠아크 생성의 신호 강도를 크게 향상시킨다.
• LHC 런 II 데이터를 바탕으로 전자 및 미오닉을 포함한 다양한 풍미 끝 상태에 대한 배제 한계가 유도되었다.
• 이 검색은 이전 검색이 덜 효과적이었던 1 TeV 이하의 렙토쿠아크 질량 영역에서 특히 민감하다.
• 미래 LHC 런의 전망은 높은 광량으로 인해 1–2 TeV 범위의 스칼라 렙토쿠아크에 대한 발견 또는 배제 가능성이 높다는 것을 시사한다.
• 이 방법은 다양한 렙토쿠아크 결합 및 붕괴 모드에서 강력하고 민감한 성능을 보이며, 특히 고-$p_T$ 끝 상태에서 두드러진다.