[논문 리뷰] W' in new physics models at the LHC

Donghee Kim, Youngdo Oh외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 다양한 뉴피지크 모델, 특히 유니버설 엑스트라 디멘션(UED) 모델에서 무거운 전하를 띤 게이지 보손 $W^\prime$의 생성과 탐지에 대해 조사한다. $\sqrt{s} = 7$ 및 $14$ TeV에서 $pp \to W^\prime \to \ell\nu_\ell$ 서명을 사용하여, LHC는 14 TeV에서 100 fb$^{-1}$의 데이터로 $1/R \lesssim 3.4$ TeV까지 칼루차-클라인 스케일을 탐사할 수 있으며, 이는 어두운 물질 모델로서의 UED를 강력히 제약한다.

ABSTRACT

We study the new heavy charged gauge boson W' in various models including Left-Right symmetric, Little Higgs, Randall-Sundrum and universal extra dimension model considering pp ightarrow W' ightarrow lepton + neutrino with the 7 TeV and 14 TeV CM energies at the LHC. Of particular, we show that the universal extra dimension model is highly constrained by existing and forthcoming data.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 뉴피지크의 서명으로서의 $W^\prime$ 보손의 타당성을 평가하기 위해.
• LHC의 감도를 $pp \to W_2 \to \ell\nu_\ell$ 서명을 통해 유니버설 엑스트라 디멘션(UED) 모델에 대해 평가하기 위해.
• UED 모델에서 칼루차-클라인 스케일 $1/R$과 버블 페르미온 질량 $\mu$를 탐사하는 LHC의 탐색 범위를 결정하기 위해.
• 기존 및 향후 LHC 데이터에서 UED 모델에 대한 제약를 비교하여, 특히 어두운 물질 후보에 관해 평가하기 위해.

제안 방법

• UED 프레임워크에서 $W$-보손의 두 번째 칼루차-클라인(KK) 상태인 $W_2$를 모델링하고, $W_2 \to \ell\nu_\ell$ 붕괴를 고려한다.
• Pythia 몬테카를로 이벤트 생성기와 CTEQ6L1 파arton 분포 함수를 사용하여 생성 단면적과 분해비율을 계산한다.
• 부분 붕괴 폭을 추정하기 위해 공식 $\Gamma(W_n \to e\nu) \approx \frac{g_n^2}{48\pi} m_n (1+\delta)$ 를 적용한다.
• 관측된 신호 이벤트 수가 0이고 검출기 효율이 100%일 때, 95% 신뢰수준(C.L.) 기반 한계를 감도 영역을 정의하기 위해 사용한다.
• $1/R \in [0, 7000]$ GeV 및 $\mu \in [0, 16000]$ GeV 범위에서 UED 매개변수 공간을 스캔한다.
• $\sqrt{s} = 7$ TeV에서 1–20 fb$^{-1}$ 및 $\sqrt{s} = 14$ TeV에서 10–100 fb$^{-1}$의 루미노시티에 대해 감도를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC는 $\sqrt{s} = 7$ TeV 및 $14$ TeV에서 $pp \to W_2 \to \ell\bar{\nu}_\ell$ 반응을 통해 유니버설 엑스트라 디멘션 모델에서 예측된 $W^\prime$ 보손을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 다양한 루미노시티를 고려할 때, UED 모델에서 $W_2$ 보손의 최대 칼루차-클라인 스케일 $1/R$는 LHC가 어느 정도 탐사할 수 있는가?
• RQ3 기존 및 예측된 LHC 데이터는 UED 모델이 어두운 물질의 타당한 프레임워크로 남아 있는지를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 현재 및 향후 LHC의 $\sigma \times \text{Br}(W^\prime \to \ell\nu_\ell)$ 제약에 비추어 볼 때, UED 모델의 $W_2$ 신호는 어느 정도 타당한가?
• RQ5 UED 모델에서 $W_2$의 붕괴 폭과 생성률은 버블 페르미온 질량 $\mu$와 $1/R$에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• LHC는 $\sqrt{s} = 7$ TeV에서 통합 루미노시티 20 fb$^{-1}$로 $1/R \lesssim 2$ TeV까지 칼루차-클라인 스케일을 탐사할 수 있다.
• $\sqrt{s} = 14$ TeV와 100 fb$^{-1}$일 때, LHC는 $1/R \lesssim 6.0$ TeV까지 탐사할 수 있으며, 이는 KK-포톤 어두운 물질의 자연 스케일을 포함한다.
• 기존 및 향후 LHC 데이터는 UED 모델을 강력히 제약하며, 매개변수 공간의 상당 부분이 배제된다.
• $\sqrt{s} = 14$ TeV와 100 fb$^{-1}$일 때, 다양한 $\mu$ 값 범위에서 감도 영역은 $1/R \lesssim 3.4$ TeV까지 연장된다.
• $W_2$ 생성 단면적과 분해비율의 곱은 $1/R$과 $\mu$에 민감하며, 주요 붕괴 채널은 $W_2 \to \ell\nu_\ell$이다.
• 이 연구는 LHC가 자연 스케일인 $1/R \sim \text{약 몇 테바}$ 범위에까지 도달함에 따라, UED 모델이 어두운 물질 프레임워크로서 실질적으로 배제되거나 확인될 수 있음을 확인한다.