[논문 리뷰] Z' Discovery Reach at Future Hadron Colliders: A Snowmass White Paper

Stephen Godfrey, Travis Martin|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 13

한 줄 요약

이 스노마스 화이트페이퍼는 LHC, HL-LHC, HE-LHC, VHE-LHC를 포함한 향후 고에너지 핵합성 충돌기에서 이론적 레프톤 상태를 통한 Drell-Yan 생성을 통해 $Z^\prime$ 보손의 발견 가능성을 평가한다. 이 연구는 100 테바볼트의 VHE-LHC가 약 30 테바볼트까지 $Z^\prime$ 질량을 탐색할 수 있으며, LHC의 약 5 테바볼트 수준을 크게 초월함을 밝혀내며, 고에너지에서 이전자기 상태가 가장 효과적인 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Extra neutral gauge bosons are a feature of many models of physics beyond the standard model (BSM) and their discovery could possibly be the first evidence for new physics. In this Snowmass white paper we compare the discovery reach of the high energy hadron colliders considered by the Snowmass study for a broad range of BSM models. It is expected that the LHC should be able to see evidence for a Z' arising from a large variety of BSM models up to a mass of ~5 TeV when the LHC reaches its design energy and luminosity, and up to ~6 TeV with the high luminosity upgrade. Further into the future, the high energy LHC would substantially extend this reach to ~11 TeV, while the ~100 TeV VHE-LHC could see evidence for Z' 's up to ~30 TeV.

연구 동기 및 목표

• 스노마스 연구에서 고려된 향후 핵합성 충돌기 시나리오 전반에 걸쳐 $Z^\prime$ 보손의 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• LHC, HL-LHC, HE-LHC, VHE-LHC 등의 다양한 충돌기 설계가 다양한 블랙스페이스 모델에서 $Z^\prime$ 공명에 대해 얼마나 민감한지 비교하기 위해.
• 이완 및 루미노시티 기반의 $Z^\prime$ 질량 및 루미노시티 범위를 정량화하기 위해, 이론적 레프톤 및 이론적 쿼크 상태를 중심으로 분석하기 위해.
• 정밀 측정을 통한 커플링 분석을 고려할 때, 향후 $e^{+}e^{-}$ 충돌기의 성능과 핵합성 충돌기의 성능를 비교하기 위해.
• 고에너지 스케일의 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해 필요한 에너지 및 루미노시티 임계값을 규명함으로써 향후 충돌기 계획을 안내하기 위해.

제안 방법

• 핵합성 충돌에서 $Z^\prime$ 생성의 주요 메커니즘으로 Drell-Yan 생성을 사용하며, 이론적 레프톤 상태에서의 진동 질량 재구성으로 검출한다.
• 검출기 수용성 및 효율을 시뮬레이션하기 위해 $|\eta| < 2.5$ 및 $p_T > 20$ GeV의 운동학적 절단 조건을 적용한다.
• 발견 기준을 정의하기 위해, 공명 피크 주변 $\pm 3\Gamma_{Z^\prime}}$ 범위 내에서 신호 대 배경 비율 ≥5인 5개의 고립된 이무온 사건을 기준으로 삼는다.
• 다양한 $Z^\prime$ 커플링(예: SSM, $\eta$, $\chi$, $\psi$)과 레프톤을 회피하는 시나리오를 고려하여 결과를 비교한다.
• 쿼크로의 분해율이 큰 경우를 고려하여, 이론적 쿼크 상태 및 $b\bar{b}$ 상태의 분석을 수행한다.
• 정밀 측정을 통한 횡단면 및 비대칭성 측정을 활용하여, $e^{+}e^{-}$ 충돌기의 민감도와 핵합성 충돌기의 성능를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 및 그 업그레이드 버전에서 이론적 레프톤 상태를 통한 $Z^\prime$ 질량의 최대 탐색 범위는 얼마인가?
• RQ2 향후 핵합성 충돌기 설계에서 중심질량 에너지 및 루미노시티가 증가함에 따라 $Z^\prime$ 보손의 발견 가능성이 어떻게 변화하는가?
• RQ3 특히 고에너지 스케일 모델을 탐색하는 데 있어, $e^{+}e^{-}$ 충돌기의 민감도는 핵합성 충돌기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 이전자기, 이론적 쿼크 상태, $b\bar{b}$, $t\bar{t}$ 등의 최종 상태가 다양한 $Z^\prime$ 커플링 패턴에서 발견 가능성을 어떻게 확장하는가?
• RQ5 $e^{+}e^{-}$ 충돌기에서의 정밀 측정은 질량은 유사하지만 커플링이 다른 $Z^\prime$ 모델을 구별할 수 있는가? 그리고 이는 핵합성 충돌기 데이터와 어떻게 보완되는가?

주요 결과

• 설계 에너지 및 루미노시티로 운영되는 LHC는 다양한 블랙스페이스 모델에서 약 5 테바볼트까지의 $Z^\prime$ 질량을 탐색할 수 있다.
• 고루미노시티 LHC(HL-LHC)는 통계량 증가 및 배경 억제 향상 덕분에 이 범위를 약 6 테바볼트까지 확장한다.
• 중심질량 에너지 약 30 테바볼트의 고에너지 LHC(HE-LHC)는 약 11 테바볼트까지의 $Z^\prime$ 질량을 탐색할 수 있다.
• 100 테바볼트의 매우 고에너지 LHC(VHE-LHC)는 약 30 테바볼트까지의 $Z^\prime$ 보손을 발견할 잠재력을 지닌다.
• 고에너지 $Z^\prime$ 탐색에서는 고에너지 $p_T$ 영역에서 에너지 해상도가 뛰어난 이전자기 상태가 가장 효과적일 것으로 예상된다.
• 반면, 500 기바볼트의 $e^{+}e^{-}$ 충돌기에서 500 fb$^{-1}$ 루미노시티를 가진 경우 약 6 테바볼트까지의 $Z^\prime$ 질량을 탐색할 수 있으며, 1 테바볼트의 $e^{+}e^{-}$ 충돌기에서 1 ab$^{-1}$ 루미노시티를 가진 경우 약 12 테바볼트까지 탐색 가능하여 HE-LHC의 성능를 따라잡는다.