[論文レビュー] Discovering and profiling Z' bosons using asymmetry observables in top quark pair production with the lepton-plus-jets final state at the LHC

Lucio Cerrito, D. A. Millar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるトップクォーク対生成のレプトン＋ジェット最終状態における前向き・後向きおよびトップスピン極化非対称性を用いて、Z′ボソンの発見およびプロファイリングを行う手法を提案する。実験的条件下（欠落横断運動量、ジェット-トップの組み合わせの不確実性、非殻上トップクォークの崩壊を含む）をシミュレートすることで、これらの非対称性とインバリアント質量分布を組み合わせることで、特定のZ′モデルにおいて信号の有意水準を最大31.4標準偏差まで向上させることを示した。これは、標準的な断面積解析のみに依存する場合に比べ、発見可能性が著しく向上することを示している。

ABSTRACT

The sensitivity of top quark pair production at the Large Hadron Collider to the presence and nature of an underlying Z' boson is studied, accounting for six-fermion decay with full tree-level Standard Model ttbar interference and all intermediate particles allowed off-shell. Focus is placed on the lepton-plus-jets final state, emulating experimental conditions, including kinematic requirements and top quark pair reconstruction in the presence of missing transverse energy and combinatorial ambiguity in jet-top assignment. Considering a resonance with mass of 4 TeV, and assuming 300 inverse fb of proton-proton collisions with a centre of mass energy of 13 TeV data, a combination of forward-backward and top polarisation asymmetries are shown to distinguish Z' embedded by different classes of Grand-Unified-Theory-inspired models. In combination with the differential cross section, they may be used to increase the significance of the signal when tested against the Standard Model, as shown using a likelihood-based statistical test.

研究の動機と目的

• レプトン＋ジェット最終状態における非対称性観測量を用いて、LHCにおけるトップクォーク対生成がZ′ボソンに対してどの程度感度を持つかを調査すること。
• 従来の殻上トップクォーク解析を拡張し、非殻上崩壊および実験的条件下（欠落横断運動量、組み合わせの不確実性を含む）での現実的な再構成を組み込むこと。
• 前向き・後向きおよびトップスピン極化非対称性が、標準的な微分断面積解析を超えてZ′信号の有意水準を向上させられるかどうかを評価すること。
• 非対称性が、異なるグルーバルユニフィケーション理論由来のクラスに分類されるZ′モデルを区別する診断的パワーを持つかどうかを評価すること。
• 断面積および非対称性観測量からの微分的および統合的有意水準を組み合わせる、尤度に基づく統計的フレームワークを構築すること。

提案手法

• 2→6の階層的計算を実施し、標準模型とZ′の寄与の間で完全な干渉効果を含め、すべての中間粒子が非殻上になることを許容する。
• 実験的運動量カット、欠落横断運動量、および組み合わせの不確実性を伴うレプトン＋ジェット最終状態のシミュレーションを実施し、トップクォーク対の再構成を実施する。
• 再構成されたトップクォーク崩壊角度および運動量を用いて、前向き・後向きおよびトップスピン極化非対称性を定義し、イベントごとの勾配抽出による正規化を実施する。
• 2次元解析において、インバリアント質量分布と非対称性観測量の有意水準を統合するため、尤度に基づく統計的検定を適用する。
• 実験的条件下を模倣するためのトイ再構成手順を用い、質量および角度変数にわたる2次元の有意水準を導出する。
• グルーバルユニフィケーション理論由来のU(1)′対称性（GLR、GSM、E6など）から導かれる複数のZ′モデルをテストし、第3世代フェルミオンへのカップリングを想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前向き・後向きおよびトップスピン極化非対称性は、標準的なインバリアント質量分布を超えて、トップクォーク対生成におけるZ′信号の有意水準を向上させ得るか？
• RQ2 非殻上トップクォーク崩壊および現実的な再構成が、レプトン＋ジェット最終状態におけるZ′ボソンへの感度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非対称性観測量が、トップクォークへのカップリングが異なる複数のZ′モデルをどの程度区別できるか？
• RQ4 2次元統計的検定において、非対称性と断面積情報の組み合わせが、1次元解析に比べて発見可能性を向上させるか？
• RQ5 どのZ′モデルが非無視可能な非対称性を示し、実験的条件下でその信号の有意水準はどのように比較されるか？

主な発見

• 13 TeVの陽子-陽子衝突で300 fb⁻¹のデータに対して、4 TeVのZ′ボソンでは、U(1)Qモデルにおいてインバリアント質量と非対称性観測量を組み合わせることで、信号の有意水準が最大31.4標準偏差まで向上した。
• GLR-Rモデルでは、mttとcosθℓを組み合わせた場合、9.1σの有意水準を達成し、質量分布のみで得られる8.1σを著しく上回った。
• GSM-T³Lモデルは、17.9σの最高の組み合わせ有意水準を示し、このクラスのZ′モデルに対する強力な診断的パワーを示した。
• E6-χ、E6-ψ、E6-ηなどのモデルでは非対称性がほとんどなく（有意水準 < 1.5σ）、非対称性のみではこれらを標準模型背景から区別できないことが示された。
• U(1)BLおよびU(1)Qモデルでは顕著な非対称性の強化が認められず、信号がインバリアント質量分布以外では検出不能であることが確認された。
• 本研究では、非対称性観測量が微分断面積と補完的であることを確認し、Z′モデルの区別能力が向上し、発見の到達範囲が拡大することを示した。