[論文レビュー] Introduction to the MCnet Moses project and Heavy gauge bosons search at the LHC

G. Bella, E. Etzion+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、追加次元を伴うモデルにおける全イベント物理学のシミュレーションを目的としたMoses C++フレームワークを提示している。特に、LHCにおけるKaluza-Klein (KK) $γ^*/Z^*$ゲージボソンと$Z^\prime$ボソンの区別を検証している。Pythia8と連携したMosesを用いた研究により、100 fb$^{-1}$の統合 luminosity において、不変質量および角度分布に対するKolmogorov-Smirnov検定が、フル検出器シミュレーションを実施する前段階でも、スピン1のKKモデルと$Z^\prime$モデルを区別可能であることを示している。

ABSTRACT

This is a technical document that provides supporting information and details of the publicly available code used for the preparation of the analysis for preprint "{\it A search for heavy Kaluza-Klein electroweak gauge bosons at the LHC}" (submitted to JHEP). The {\sc Moses} C++ framework is a project written for probing and developing new models for High Energy Physics processes which allows complete events to be simulated by interface with the standard simulation program Pythia8. This paper demonstrates the usage of {\sc Moses} in a study of the nature of Kaluza-Klein (KK) excitations in a specific model where the SU(2) imes U(1) gauge fields can exist in a single Extra Dimension (ED) compactified on a $S^1/Z_2$ orbifold, while the matter fermions and SU(3) gauge fields are localized in the 3d-brane. Using this framework, the events have been fully simulated at hadron level including initial and final state radiation. The study of particle decays was used to develop a method to distinguish between this Kaluza-Klein model and processes with similar final states. As a consequence, the possibility of observing and identifying a signal of the first excited KK state of the $γ/Z^0$ bosons in the LHC is also discussed.

研究の動機と目的

• 追加次元を含む新しい物理モデルの全ハドロンレベルイベントを生成できるシミュレーションフレームワークの開発。
• 同じ最終状態を示すKaluza-Klein $\gamma^*/Z^*$共鳴状態と$Z^\prime$ボソンの区別可能性の検証。
• BSMシナリオへの適用の前に、標準模型(SM)過程を用いて手法の妥当性を検証。
• 特に$\sqrt{\hat{s}}$および$\cos\theta^\prime$の運動量分布の感度を評価し、LHCにおけるスピン1共鳴状態の同定能力を評価。
• 100 fb⁻¹の統合 luminosity が、非バッチドKolmogorov検定を用いてKKモデルと$Z^\prime$モデルを区別するのに十分であることを実証。

提案手法

• Moses C++フレームワークはPythia8と連携可能であり、BSMプロセスにおける初期状態および最終状態放射を含む、完全なイベント生成を可能にしている。
• モデルは、$S^1/Z_2$上にコンパクト化された5次元の$SU(2)\times U(1)$ゲージ理論を想定し、物質および$SU(3)$場は3-brane上に局在化している。
• 14 TeVの$σ{s} = 14$ TeVでの全$pp \to \gamma^*/Z^* \to \ell^+\ell^-$過程をシミュレートし、ISR効果は特化した運動量再構成により処理している。
• 共鳴状態のスピン1性質を調べるために、角度分布および前後方向非対称性$A_{fb}^{CS}$が抽出された。
• 非バッチド$\sqrt{\hat{s}}$および$\cos\theta^\prime$分布に対してKolmogorov-Smirnov検定を適用し、疑似データとモンテカルロ参照サンプルを比較した。
• 手法の妥当性は、BSMシナリオへの適用の前段階として、SM $\gamma/Z^0$過程を用いて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mosesフレームワークは、追加次元を伴う5次元モデルにおけるKaluza-Kleinゲージボソンの全イベントプロセスを正確にシミュレートできるか？
• RQ2 LHCにおけるディレプトン最終状態の不変質量および角度分布は、KK $\gamma^*/Z^*$共鳴状態と$Z^\prime$ボソンを区別できるか？
• RQ3 Kolmogorov-Smirnov検定がKKモデルと$Z^\prime$モデルを信頼性高く区別できる統合 luminosity はどの程度か？
• RQ4 ISR効果は、これらのモデルにおける運動量再構成および区別能力にどのように影響を及えるか？
• RQ5 低統合 luminosity 段階で、前後方向非対称性$A_{fb}^{CS}$は追加の区別能力を提供できるか？

主な発見

• 非バッチド$\sqrt{\hat{s}}$分布に対するKolmogorov-Smirnov検定により、100 fb⁻¹および500 fb⁻¹の両統合 luminosity 段階で、KKモデルと$Z^\prime_{\rm{SM}}$モデルの明確な区別が可能であることが示された。
• 100 fb⁻¹の段階で、$Z^\prime_{\rm{SM}}$と疑似データの整合性に関するp値はわずか~0.016にとどまり、KKモデルとは明確に統計的に区別される。
• $\cos\theta^\prime$分布の最大尤度フィットおよびKolmogorov検定による分析は、特に500 fb⁻¹の段階で、区別の強力な支援的証拠を提供した。
• 前後方向非対称性$A_{fb}^{CS}$は、100 fb⁻¹の段階では精度の高い区別に不十分であるが、統合 luminosity が増加するにつれて改善した。
• ISR効果が存在しても、分析戦略が適切な運動量再構成を組み込むことで、手法は依然として有効であった。
• 将来的にはフルイベントシミュレーションおよび検出器効果を考慮した段階で、約4 TeVの共鳴状態は100 fb⁻¹の統合 luminosity でも同定可能である。