[논문 리뷰] Testing CDF's Dijet Excess and Technicolor at the LHC

E. Eichten, Kenneth Lane외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 기술리오(resonance)가 기술피온과 W 보손으로 붕괴하는 관측 가능성에 대해 조사하며, 배경으로부터 신호를 분리하기 위한 최적화된 절단 조건을 제안한다. 표준 CDF 유사 절단 조건은 부족한 것으로 나타났지만, 특히 이소스핀 관련 $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ 및 $\rho_T^{\pm} \to WZ$ 모드에 대해 특화된 선택 조건을 적용할 경우 약 $1-5\,\text{fb}^{-1}$의 데이터로 신호를 드러낼 수 있다.

ABSTRACT

Under the assumption that the dijet excess seen by the CDF Collaboration near 150 Gev in Wjj production is due to the lightest technipion of the low-scale technicolor process $ρ_T ightarrow W π_T$, we study its observability in LHC detectors with 1-5 fb^{-1} of data. We find that cuts similar to those employed by CDF are unlikely to confirm its signal. We propose cuts tailored to the LSTC hypothesis and its backgrounds at the LHC that can reveal $π_T ightarrow jj$. We also stress the importance at the LHC of the isospin-related channel $ρ^{\pm}_T ightarrow Zπ^{\pm}_T ightarrow \ell\ell jj$ and the all-lepton mode $ρ^{pm}_T ightarrow WZ ightarrow 3\ell + ν$.

연구 동기 및 목표

• 낮은 스케일 기술색역(LSTC) 가정 하에 CDF의 약 150 GeV 부근의 이제트 초과 현상이 LHC에서 확인될 수 있는지 평가하기 위해.
• 주요 $Wjj$ 배경으로부터 기술피온($\pi_T$) 신호를 분리하는 데 유용한 운동량 절단 조건을 규명하기 위해.
• 특히 $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ 및 $\rho_T^{\pm} \to WZ$와 같은 대안적 붕괴 채널을 제안하여 LSTC 모델을 검증하기 위한 더 깔끔한 서명(signatures)을 제공하기 위해.
• 실제 시뮬레이션과 루미노시티 추정치를 사용하여 LHC 실험이 $\pi_T \to jj$ 및 $\rho_T \to Wjj$ 신호에 대해 얼마나 민감한지 평가하기 위해.

제안 방법

• Pythia를 사용하여 LSTC 매개변수 $M_{\rho_T} = 290\,\text{GeV}$, $M_{\pi_T} = 160\,\text{GeV}$, $\sin\chi = 1/3$, $N_{TC} = 4$, $Q_U = Q_D + 1 = 1$를 적용해 LHC에서 $\rho_T \to W\pi_T \to Wjj$ 생성을 시뮬레이션한다.
• CDF 유사 절단 조건을 $\rho_T \to W\pi_T \to \ell\,\nu_{\ell}jj$ 사건에 적용하며, 렙톤 및 제트의 $p_T$와 $\eta$ 요구 조건, $\Delta R$ 및 $\Delta\phi$ 제약 조건, 그리고 미소한 횡방향 에너지를 포함한다.
• 신호 근처에서 배경이 피크를 이룰 것을 방지하기 위해 새로운, 본질적으로 다른 절단 조건을 제안한다: $p_T(j_1) > 40\,\text{GeV}$, $p_T(j_2) > 30\,\text{GeV}$, $p_T(jj) > 45\,\text{GeV}$, $\Delta\eta(jj) < 1.2$, $Q > 20\,\text{GeV}$.
• $1\,\text{fb}^{-1}$ 및 $5\,\text{fb}^{-1}$ 샘플에서 $\pi_T \to jj$ 및 $\rho_T \to Wjj$의 신호 대 배경 비율($S/\sqrt{B}$ 및 $S/B$)을 평가한다.
• 이소스핀 관련 모드인 $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm} \to \ell^+\ell^-jj$ 및 $\rho_T^{\pm} \to WZ \to \ell^\pm\nu_{\ell}\ell^+\ell^-$를 시뮬레이션하며, 전용 절단 조건을 사용해 횡단면과 신호의 유의미성(significance)를 추정한다.
• 배경 생성을 매트릭스 원소 수준에서 수행(AlpGen)하고 파arton 슈로잉(Pythia)과 매칭하며, NLO $W+jj$ 횡단면(MCFM)으로 정규화된 값을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 스케일 기술색역(LSTC) 가정 하에 CDF의 약 150 GeV 부근의 이면제트 초과 현상이 LHC에서 관측될 수 있는가?
• RQ2 표준 CDF 유사 절단 조건이 LHC에서 주요 $Wjj$ 배경으로부터 $\pi_T \to jj$ 신호를 분리하는 데 충분한가?
• RQ3 기존의 배경 피크 문제를 완화하고 신호 분리 성능을 향상시키기 위해 운동량에 따라 특화된 새로운 절단 조건이 유용한가?
• RQ4 이소스핀 관련 모드인 $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ 및 $\rho_T^{\pm} \to WZ$는 LSTC 모델을 확인하기 위한 더 깔끔한 서명을 제공하는가?
• RQ5 LHC에서 $S/\sqrt{B} \gtrsim 3$를 확보하기 위해 $\pi_T \to jj$ 및 $\rho_T \to Wjj$ 신호에 대해 어느 정도의 루미노시티가 필요한가?

주요 결과

• 표준 CDF 유사 절단 조건은 심지어 $5\,\text{fb}^{-1}$의 데이터로도 LHC에서 $\pi_T \to jj$ 신호를 분리하는 데 부족하며, 신호 근처에서 배경이 피크를 이룰 것으로 나타났다.
• 제안된 절단 조건—$p_T(j_1) > 40\,\text{GeV}$, $p_T(j_2) > 30\,\text{GeV}$, $p_T(jj) > 45\,\text{GeV}$, $\Delta\eta(jj) < 1.2$, $Q > 20\,\text{GeV}$—는 $1\,\text{fb}^{-1}$에서 $\pi_T \to jj$에 대해 $S/\sqrt{B} = 2.80$ 및 $S/B = 0.078$의 값을 기록한다.
• $260 < M_{Wjj} < 300\,\text{GeV}$ 범위의 $\rho_T \to Wjj$ 신호는 $1\,\text{fb}^{-1}$에서 $S/\sqrt{B} = 2.50$ 및 $S/B = 0.089$를 기록하여 약 $5\,\text{fb}^{-1}$의 데이터로 관측 가능하다.
• $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm} \to \ell^+\ell^-jj$ 모드의 횡단면은 $165\,\text{fb}$이며, $5\,\text{fb}^{-1}$에서 $S/\sqrt{B} = 3.12$ 및 $S/B = 0.18$를 기록하여 확증 채널로 유력하게 가능하다.
• $\rho_T^{\pm} \to WZ \to \ell^\pm\nu_{\ell}\ell^+\ell^-$ 모드의 횡단면은 $25\,\text{fb}$이며, 약 $5\,\text{fb}^{-1}$의 데이터로 관측 가능할 것으로 예상된다.
• $M_{jj}$에서 약 $80\,\text{GeV}$ 부근의 $Wjj$ 배경 피크 덕분에 배경 정규화를 자체 보정(self-calibration)할 수 있어 신호 추출의 정밀도가 향상된다.