[논문 리뷰] Six-lepton Z' resonance at the LHC

V. Barger, Paul Langacker외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 Z' 보손이 힉스 보손과 Z 보손으로 붕괴하는 Z' → ZH 반응을 탐색하며, 이어서 H → ZZ → 4 렙톤과 Z → 2 렙톤으로 이어져 뚜렷한 6 렙톤 최종 상태를 만드는 것을 제안한다. 신호는 거의 배경이 없으며, Z' 보손이 렙톤과 직접 결합하지 않더라도 힉스 보손과 Z' 보손의 질량 및 너비를 독립적으로 재구성할 수 있다.

ABSTRACT

New physics models admit the interesting possibility of a Z' weak boson associated with an extra U(1) gauge symmetry and a Higgs boson that is heavy enough to decay into a pair of Z bosons. Then Z' production and decay via Z' -> ZH -> ZZZ has a distinctive LHC signal that is nearly background free and reconstructs the H and Z' masses and widths. The Z' decay to 3 pairs of leptons is especially distinctive. The ZH decay mode exists even if the Z' is decoupled from leptons, which motivates an independent 6-lepton resonance search regardless of the dilepton search results.

연구 동기 및 목표

• 확장된 U(1) 게이지 대칭의 서명으로서 LHC에서 6 렙톤 최종 상태로 Z' 보손을 식별하는 것.
• Z' 보손이 렙톤과 분리되어 있어도 Z' → ZH 붕괴 모드를 탐색하여 이중 렙톤 탐색과 독립적인 신호 가시성을 확보하는 것.
• 6 렙톤 최종 상태를 통해 힉스 보손과 Z' 보손의 질량 및 너비를 정밀하게 재구성하는 것.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 발견하기 위한 배경이 없는 신호 채널을 제공하는 것.

제안 방법

• 표준모형과 힉스 포털을 통해 연결된 추가 U(1) 게이지 대칭에서 유래한 무거운 게이지 보손으로 Z' 보손을 모델링한다.
• Z' → ZH 붕괴 체인을 분석하며, 이어서 H → ZZ → 4 렙톤과 Z → 2 렙톤으로 이어져 6 렙톤 최종 상태를 만든다.
• 6 렙톤 최종 상태의 운동학적 재구성을 통해 힉스 보손과 Z' 보손의 질량 및 너비를 추출한다.
• 6 렙톤 채널에서 Z' → ZH → ZZZ 붕괴 체인이 지배적인지 평가함으로써 신호의 배경 억제 능력을 평가한다.
• Z' 보손이 렙톤과 직접 결합하지 않더라도 ZH 붕괴 모드에 의존하여 신호의 강건성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z' 보손이 렙톤과 직접 결합하지 않더라도 6 렙톤 최종 상태를 통해 탐지될 수 있는가?
• RQ2 LHC에서 Z' → ZH → ZZZ → 6 렙톤 붕괴 체인의 배경 억제 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 6 렙톤 최종 상태로부터 힉스 보손과 Z' 보손의 질량 및 너비는 어느 정도 정밀하게 재구성할 수 있는가?
• RQ4 Z' → ZH 붕괴 모드가 이중 렙톤 공진 상태 탐색과 독립적인 발견 채널을 어떻게 제공하는가?

주요 결과

• Z' → ZH → ZZZ에서 유래하는 6 렙톤 최종 상태는 거의 배경이 없어 발견 가능성을 크게 향상시킨다.
• 6 렙톤 최종 상태의 운동학적 구조를 통해 힉스 보손과 Z' 보손의 질량 및 너비를 독립적으로 재구성할 수 있다.
• Z' 보손이 렙톤과 분리되어 있어도 ZH 붕괴 모드에 의존하여 신호가 관측 가능하다.
• ZH 붕괴 채널은 LHC에서 Z' 공진 상태에 대한 강건하고 모델에 종속되지 않는 발견 채널을 제공한다.