[논문 리뷰] Z'_{B-L} discovery potential at the LHC for \sqrt{s}=7 TeV

L. Basso, A. Belyaev외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 LHC와 테바트론에서 $\sqrt{s} = 7$ TeV 조건 하에서 $Z'_{B-L}$ 게이지 보손의 발견 가능성을 평가하며, 중성미자 붕괴를 통해 유도되는 이전자리($e^+e^-$, $\mu^+\mu^-$) 및 다중전자기 서명을 중심으로 다룹니다. 전자에서의 감도가 뮤온보다 높음을 입증하였으며, LHC에서는 $M_{Z'} = 1.2$ TeV까지, 테바트론에서는 $M_{Z'} = 0.9$ TeV까지 $5\sigma$ 발견 가능성이 있으며, $1$ fb$^{-1}$ 루미너시티 조건에서 LHC의 $2\sigma$ 배제 한계는 $1.6$ TeV까지 연장됩니다.

ABSTRACT

We present the Large Hadron Collider (LHC) discovery potential in the Z' sector of a U(1)_{B-L} enlarged Standard Model also encompassing three heavy Majorana neutrinos, for \sqrt{s}=7 centre-of-mass energy, considering both the Z'_{B-L} ightarrow e^+e^- and Z'_{B-L} ightarrow μ^+μ^- decay channels. Electrons provide a higher sensitivity to smaller couplings at small Z'_{B-L} boson masses than do muons. The run of the LHC at \sqrt{s}=7 TeV, assuming at most \int \mathcal{L} \sim 1 fb^{-1}, will be able to give similar results to those that will be available soon at the Tevatron in the lower mass region, and to extend them for a heavier M_{Z'}. A 5σdiscovery could be possible up to M_{Z'}=1.2(0.9) TeV at the LHC(Tevatron), while a 2σexclusion at the LHC could be possible up to M_{Z'}=1.6 TeV. The new gauge coupling g'_1 can been probed, at 5σ, down to \sim (3 ÷4) \cdot 10^{-2} with electrons and down to \sim (4 ÷5) \cdot 10^{-2} with muons, both at the LHC and at the Tevatron, for M_{Z'}=600 GeV. The Z' boson in this model exhibits novel signatures at the LHC, as multi-lepton and multi-jet decays via heavy neutrinos, that allow one to measure the heavy neutrino masses involved. Lastly, the simultaneous measurement of both the heavy neutrino mass and decay length (over a large region of parameter space, the heavy neutrinos are rather long-lived particles) enables an estimate of the absolute mass of the parent light neutrino.

연구 동기 및 목표

• LHC와 테바트론에서 $\sqrt{s} = 7$ TeV 조건 하에서 $U(1)_{B-L}$ 확장 표준모형에서 $Z'_{B-L}$ 보손의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• $Z'_{B-L}$ 탐지에 있어 $e^+e^-$와 $\mu^+\mu^-$ 붕괴 채널의 감도를 비교하기 위해.
• 무거운 메이저라 중성미자가 다중전자기 및 이격된 림보 서명을 생성하는 데서 수행하는 역할을 탐색하기 위해.
• 시이사우 메커니즘을 통해 경량 중성미자의 절대 질량을 추론하기 위해 무거운 중성미자의 질량과 붕괴 길이를 측정할 가능성 탐구하기 위해.

제안 방법

• 게이지 이상을 제거하기 위해 $B-L$-전자 힉스 스칼라를 포함한 최소한의 $B-L$ 모델을 사용하며, 세 개의 중성미자 오른손잡이 메이저라 중성미자를 포함한다.
• 기준점($M_{Z'} = 1.5$ TeV, $g'_1 = 0.2$, $M_{\nu_h} = 200$ GeV)에서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 $Z' \to \nu_h\nu_h \to 3l + 2j + \ell + \slashed{E}_T$ 붕괴 체인을 모델링한다.
• 가시 입자에 3개의 렙톤과 2개의 제트가 포함된 경우, $Z'$ 질량을 재구성하고 무거운 중성미자 붕괴를 식별하기 위해 전방 질량 분포 $m_T^2 = (\sqrt{M^2_{\text{vis}} + P_T^2_{\text{vis}}} + |\slashed{P}_T|)^2 - |\vec{P}_{T,\text{vis}} + \slashed{\vec{P}}_T|^2$ 를 사용한다.
• 표준모형 Drell-Yan 배경을 억제하기 위해 운동학적 컷과 검출기 수용 조건을 적용한다.
• LHC와 테바트론 간의 신호 유의도와 배제 한계를 $1$ fb$^{-1}$ 루미너시티 조건 하에서 비교한다.
• 시이사우 공식을 역행하여 측정된 무거운 중성미자 질량과 붕괴 길이로부터 경량 중성미자의 질량을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 $\sqrt{s} = 7$ TeV 및 $1$ fb$^{-1}$ 루미너시티 조건 하에서 이전자리 최종 상태에서의 $Z'_{B-L}$에 대한 $5\sigma$ 발견 도달 범위는 무엇인가요?
• RQ2 LHC와 테바트론에서 $Z'_{B-L}$ 탐지에 있어 $e^+e^-$ 대비 $\mu^+\mu^-$ 최종 상태의 감도는 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ3 $Z' \to \nu_h\nu_h$ 붕괴에서 이격된 림보를 포함한 다중전자기 서명이 $B-L$ 모델에 대해 고유한 서명을 제공할 수 있나요?
• RQ4 무거운 메이저라 중성미자의 질량과 붕괴 길이를 얼마나 정확히 측정할 수 있을까요? 이를 통해 경량 중성미자의 절대 질량을 추론할 수 있는 정도는 어느 정도인가요?

주요 결과

• LHC에서는 $1$ fb$^{-1}$ 루미너시티 조건 하에서 $M_{Z'} = 1.2$ TeV까지, 테바트론에서는 $M_{Z'} = 0.9$ TeV까지 $5\sigma$ 발견 가능성이 있습니다.
• 전자에서의 감도가 뮤온보다 높으며, LHC에서는 $M_{Z'} = 1.2$ TeV까지, 테바트론에서는 $M_{Z'} = 0.9$ TeV까지 $5\sigma$ 발견 가능성이 있으며, 뮤온의 경우 각각 $1.0$ TeV 및 $0.8$ TeV까지입니다.
• LHC에서는 전자 또는 뮤온 최종 상태를 사용하여 $1$ fb$^{-1}$ 루미너시티 조건 하에서 $M_{Z'} = 1.6$ TeV까지 $2\sigma$ 배제 가능성이 있습니다.
• $M_{Z'} = 600$ GeV에서, LHC와 테바트론 모두에서 전자 사용 시 새로운 게이지 커플링의 $5\sigma$ 발견 임계값은 $g'_1 \sim (3\div 4) \times 10^{-2}$이며, 뮤온 사용 시에는 $(4\div 5) \times 10^{-2}$입니다.
• 가시 입자에 3개의 렙톤과 2개의 제트가 포함된 경우, 전방 질량 분포가 $Z'$ 질량에서 피크를 이룹니다. 이는 $M_{Z'}$를 측정하는 데 있어 강력한 방법을 제공합니다.
• 전방 질량 분포에서 $Z'$와 무거운 중성미자 질량 피크를 동시에 관측함으로써, 배경이 낮은 특징적인 다중전자기 서명을 확인할 수 있습니다.