[논문 리뷰] Z polarization in $e^+e^- o ZWW $ for testing special interactions of massive particles

Fernand M. Renard|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 스케일에 따라 변하는 질량과 질량이 큰 게이지 보손의 최종 상태 상호작용을 탐구하기 위해 $e^+e^- \to ZWW$ 과정을 연구하며, 종방향 $Z$-보손 분포율 ($R_L$) 이 이러한 효과들에 민감함을 보여준다. 토프 쿼크 생성과는 달리, $Z_{L}$ 생성은 $W$ 및 $Z$ 질량 스케일 의존성과 $W_LW_L$ 최종 상태 상호작용에 고유하게 민감하며, 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리학에 대한 보완적인 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We show that the $ZWW$ production process may give complementary informations about scale dependent heavy particle masses and possible final state interactions as compared to previously studied top quark production processes. We illustrate the $p_Z$ distribution of the rate of longitudinal $Z_L$ component showing its sensitivity to these effects which may arise from heavy particle substructure or a dark matter (DM) environment.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하기 위해 $e^+e^- \to ZWW$ 과정이 토프 쿼크 생성 과정과 비교해 스케일에 따라 변하는 질량과 최종 상태 상호작용에 대해 보완적인 민감도를 제공하는지 조사하는 것.
• 스케일에 따라 변하는 $W$ 및 $Z$ 질량에 대한 민감도를 분석하기 위해 $p_Z$ 의존성 종방향 $Z$-보손 분포율 ($R_L$) 을 분석하는 것.
• 서브구조 또는 다크 매터 환경에서 기인할 수 있는 최종 상태 $Z_LW_LW_L$ 상호작용의 영향을 평가하는 것.
• $Z_{L}$ 생성의 민감도를 $Zt\bar{t}$ 및 $W_{L}t\bar{b}$ 과정과 비교하여 질량 조합에 기인한 차이점을 부각하는 것.
• $ZWW$ 생성이 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 정밀하게 탐색하기 위한 도구로의 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• $\sqrt{s} = 5$ TeV에서 $p_Z$ 의 함수로 종방향 $Z$-보손 생성 분포율 $R_L = \sigma(Z_LWW)/\sigma(Z_TWW + Z_LWW)$ 를 계산한다.
• 고에너지 근사에서 $Z_L$ 과 골드스토운 보손 ($G^0$) 앰플리튜드 사이의 등가성을 사용하며, $G^0WW$ 앰플리튜드 는 주로 $m_W$ 와 $1/m_W$ 의 비례성을 갖는다.
• 스케일에 따라 변하는 $W$ 및 $Z$ 질량 모델을 도입한다: $m_{W,Z}(s) = m_{W,Z} (m_{\text{th}}^2 + m_0^2)/(s + m_0^2)$, $m_0 = 2,4$ TeV.
• 최종 상태 상호작용은 테스트 인자 $(1 + C(s))$ 를 통해 모델링되며, $C(x) = 1 + \frac{m_Z^2}{m_0^2} \ln\left(-x/(m_Z + m_W)^2\right)$, $m_0 = 0.5$ TeV 으로 $Z_LW_L^+W_L^-$ 앰플리튜드에 적용된다.
• $R_L$ 와 $R_L^G$ (골드스토운 등가성) 의 $p_Z$ 분포를 계산하고 비교하여 표준모형에서의 이격을 식별한다.
• 서에너지 및 각도 의존성과 같은 운동량적 구조는 스케일에 따라 변하는 질량 효과와 최종 상태 상호작용 효과를 분리하는 데 도구로 제안된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스케일에 따라 변하는 $W$ 및 $Z$ 질량에 대해 $e^+e^- \to ZWW$ 과정에서의 $p_Z$ 의존성 종방향 $Z$-보손 분포율은 어떻게 반응하는가?
• RQ2 $ZWW$ 생성에서의 $Z_{L}$ 분포율은 질량 스케일 의존성에 대해 $Zt\bar{t}$ 및 $W_{L}t\bar{b}$ 과정의 $Z_{L}$ 분포율과 어떻게 다를까?
• RQ3 최종 상태 $Z_LW_L^+W_L^-$ 상호작용는 종방향 $Z_{L}$ 분포율에서 스케일에 따라 변하는 질량 효과를 어느 정도 모의하거나 구별할 수 있는가?
• RQ4 $ZWW$ 생성에서의 $Z_{L}$ 분포율은 $W$ 및 $Z$ 질량 스케일 의존성과 관련된 새로운 물리학을 깔끔한 탐색 도구로 활용할 수 있는가?
• RQ5 어떤 운동량적 특성(예: 서에너지 또는 각도 의존성)이 스케일에 따라 변하는 질량 효과와 최종 상태 상호작용 효과를 분리하는 데 도움이 되는가?

주요 결과

• $e^+e^- \to ZWW$ 과정에서의 $Z_L$ 분포율은 스케일에 따라 변하는 $W$ 및 $Z$ 질량에 대해 뚜렷한 민감도를 보이며, $Zt\bar{t}$ 및 $Wt\bar{b}$ 과정에서 관찰된 것과 반대 부호의 영향을 나타낸다.
• $p_Z$ 분포에서 $R_L$ 는 $m_W(s)$ 가 스케일에 따라 변할 경우, 특히 낮은 $p_Z$ 에서 표준모형에서의 심각한 이격을 보이며, 이는 $1/m_W$ 에 의해 강화된 앰플리튜드와 $m_W^2/s$ 보정의 상호작용 때문이 다.
• 고에너지에서 $ZWW$ 과정에서 골드스토운 등가성($R_L^G$) 이 유지되지만, 낮은 $p_Z$ 에서는 $m_Z^2/s$ 보정으로 인해 이격이 발생하며, 이는 정밀 측정의 중요성을 강조한다.
• 최종 상태 $Z_LW_L^+W_L^-$ 상호작용은 $C(x)$ 인자로 모델링되며, $R_L$ 의 $p_Z$ 분포에 측정 가능한 왜곡을 유도하며, 운동량적 분석을 통해 질량 스케일 효과와 구별할 수 있다.
• $ZWW$ 과정에서의 $Z_{L}$ 분포율은 $W$ 및 $Z$ 질량에만 고유하게 민감하므로, 게이지 보손 질량 스케일 의존성과 관련된 새로운 물리학을 테스트하기 위해 토프 쿼크 과정과 보완적인 탐색 도구가 된다.
• 이 연구는 $\sqrt{s} = 5$ TeV에서의 $ZWW$ 생성이 새로운 물리학을 탐색하기 위한 유망한 채널을 제공할 수 있으며, 특히 $HWW$ 또는 $HZZ$ 과정과 조합할 경우 더욱 유용할 수 있으나, $H$ 식별은 $Z$ 식별보다 더 어려울 수 있다.