[논문 리뷰] Search for extra-dimensions, top-antitop resonances, 4th generation and leptoquark signatures at the LHC

M. Marionneau|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 및 CMS 협업으로부터의 √s = 7 및 8 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용하여 표준모형을 초월한 물리학에 대한 종합적인 탐색을 제시한다. 큰 추가 차원, 토프-항토프 공명, 제4세대 쿼크, 륙토쿼크의 서명을 조사하였으며, 새로운 물리학의 증거를 발견하지 못했고, $M_D$, $M_S$, $Λ$, 륙토쿼크 질량과 같은 핵심 모델 매개변수에 대해 95% 신뢰수준에서 엄격한 하한을 설정하였다.

ABSTRACT

The searches for extra-dimensions, top resonances, 4th generation quarks and leptoquark signatures are presented. The results are based on proton-proton collision data for a center-of mass energy of7 or 8 TeV, corresponding to various integrated luminosities. No signal of physics beyond the Standard Model has been observed so far.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 양성자-양성자 충돌을 통해 거품입자 및 블랙홀 생성을 통해 큰 추가 차원의 존재를 탐색하기 위해.
• 표준모형의 잠재적 확장으로서 토프-항토프 공명 및 제4세대 쿼크의 존재를 탐구하기 위해.
• 대통합이론에서 쿼크와 렙톤 간의 잠재적 연결로서의 륙토쿼크 서명을 조사하기 위해.
• 이중 렙톤 및 단일 제트 최종 상태를 이용하여 연장 상호작용 및 유효 field 이론 스케일에 대해 모델 독립적인 제한을 설정하기 위해.
• 어두운 물질(WIMP) 산란 횡단면 및 유효 결합을 기반으로 단일 제트 및 단일 광자 탐색 결과를 해석하기 위해.

제안 방법

• √s = 7 TeV(2011년) 및 8 TeV(2012년)에서의 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용하였으며, 적립 루미노사티가 최대 20 fb⁻¹에 이르렀다.
• 높은 미측정 횡방향 에너지(E_T), 고pT 제트, 고립 렙톤을 중심으로 한 이벤트 선택 기준을 적용하여 새로운 물리학의 서명을 식별하였다.
• 신호와 QCD 배경을 구분하기 위한 주요 운동량 변수로 스칼라 횡방향 에너지 합(H_T)과 총 횡방향 운동량(S_T)을 사용하였다.
• 통계적 방법을 활용하여 $M_D$, $M_S$, $Λ$, 륙토쿼크 질량과 같은 모델 매개변수에 대해 95% 신뢰수준(C.L.) 하한을 설정하였다.
• 다양한 최종 상태(제트 + E_T, 이중 렙톤, 반반성, 이중 렙톤 붕괴)와 이론 모델을 통해 검색을 수행하였다.
• 유효 field 이론 연산자, 특히 연장 상호작용 및 WIMP-핵자 산란 횡단면을 기반으로 결과를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 추가 차원의 기본 스케일인 $M_D$와 ADD 모델에서의 스케일 $M_S$에 대한 하한은 무엇인가요?
• RQ2 LHC에서 고에너지 양성자-양성자 충돌에서 미세한 블랙홀의 존재 증거를 관측할 수 있을까요?
• RQ3 벡터-형상 토프 파트너와 흥분된 다운 쿼크를 포함한 제4세대 쿼크 상태에 대한 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ4 다양한 분해율($β$)과 세대에 따라 륙토쿼크 질량에 대한 가장 엄격한 제한은 무엇인가요?
• RQ5 단일 제트 및 단일 광자 탐색은 유효 결합 스케일($M_*$)과 WIMP-핵자 산란 횡단면을 어떻게 제약하는가요?

주요 결과

• ADD 모델의 경우, 제트 + E_T 최종 상태 데이터를 바탕으로 95% C.L.에서 $M_D$는 δ=2일 때 2.58 TeV 이하, δ=6일 때 2.88 TeV 이하로 배제되었다.
• 이중 렙톤 최종 상태로부터 유도된 바에 따르면, $M_S$(이와 관련된 $M_D$와 연결됨)에 대한 하한은 δ ∈ [2,7] 범위에서 약 3.5에서 4.5 TeV 사이이다.
• 미세한 블랙홀에 대한 증거는 관측되지 않았으며, 여러 이론 모델에서 블랙홀 질량에 대한 하한이 설정되었으며, 일부 벤치마크에서 $M_{BH}$는 약 3.5 TeV 이하로 배제되었다.
• 제4세대 쿼크 탐색에서 신호는 관측되지 않았다: 5/3e 전하를 가진 제4세대 업 쿼크는 700 GeV 이하로 배제되었으며, 벡터-형상 업 쿼크는 단일 상태일 경우 640 GeV 이하, 이중 상태일 경우 730 GeV 이하로 배제되었다.
• 자기 왼쪽 스핀 쿼크 결합이 1인 경우, 흥분된 다운 쿼크(b*)는 870 GeV 이하로 95% C.L.에서 배제되었다.
• 스칼라 륵토쿼크 질량에 대한 가장 엄격한 제한은 각각 첫 번째, 두 번째, 세 번째 세대 륵토쿼크에 대해 830 GeV(β=1), 640 GeV(β=0.5), 538 GeV(β=1)이며, 어떤 채널에서도 신호가 관측되지 않았다.