[논문 리뷰] Model-independent limits for anomalous triple gauge bosons $W^+W^-γ$ coupling at the CLIC

A. A. Billur, M. Köksal외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중심에너지 0.38, 1.5, 3 TeV에서 루미노시티 1, 2.5, 5 ab$^{-1}$를 갖는 Compact Linear Collider (CLIC)를 이용해 $\gamma\gamma$, $\gamma\gamma^*$, $\gamma^{*}\gamma^{*}$ 충돌을 통해 $\gamma\gamma \to W^+W^-$, $e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$, $e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$ 과정를 통해 이방성 $W^+W^-\gamma$ 결합에 대한 민감도를 조사한다. CLIC는 $\Delta\kappa_\gamma$와 $\lambda_\gamma$에 대해 $10^{-5}$에서 $10^{-4}$ 수준의 모델 독립적 한계를 확보하며, LHC와 이전의 충돌기들에 비해 수개의 주기수로 뛰어나다.

ABSTRACT

We investigate the potential of the Compact Linear Collider (CLIC) to probe the anomalous $W^+W^-γ$ coupling in $γγ$, $γγ^*$ and $γ^*γ^*$ collisions through the processes $γγ ightarrow W^+ W^-$, $e^+ γ ightarrow e^+ γ^{*} γ ightarrow e^+ W^- W^+$ and $e^+ e^- ightarrow e^+ γ^{*} γ^{*} e^- ightarrow e^+ W^- W^+ e^-$. We perform leptonic, semi-leptonic and hadronic decays channels for $W^+W^-$ production in the final state. Taking ${\cal L}=1\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=0.380\hspace{0.8mm}{ m TeV}$, ${\cal L}=2.5\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=1.5\hspace{0.8mm}{ m TeV}$ and ${\cal L}=5\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=3\hspace{0.8mm}{ m TeV}$, based on future CLIC data, the limits for $Δκ_γ$ and $λ_γ$ might reach up to ${\cal O}(10^{-5}-10^{-4})$ level in the most ideal with 5\hspace{0.8mm}${ m ab^{-1}}$ set data, which shows a potential advantage compared to those from LHC, Tevatron and LEP data. Thus, our results represent that the processes $γγ ightarrow W^+ W^-$, $e^+ γ ightarrow e^+ γ^{*} γ ightarrow e^+ W^- W^+$ and $e^+ e^- ightarrow e^+ γ^{*} γ^{*} e^- ightarrow e^+ W^- W^+ e^-$ at the CLIC are a very good prospect for probing the anomalous $W^+W^-γ$ couplings.

연구 동기 및 목표

• 모델 독립적 프레임워크에서 Compact Linear Collider (CLIC)의 이방성 삼중 게이지 보손 결합(aTGC) $W^+W^-\gamma$에 대한 민감도를 평가하기 위해.
• $\gamma\gamma$, $\gamma\gamma^*$, $\gamma^{*}\gamma^{*}$ 충돌 모드가 CLIC에서 $\gamma\gamma \to W^+W^-$, $e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$, $e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$ 과정를 통해 $W^+W^-$ 쌍 생성을 탐색하는 잠재력을 평가하기 위해.
• CLIC의 세 에너지 단계(0.38, 1.5, 3 TeV)에서의 정밀도 도달 범위를 LHC, 테바트론, LEP에서의 기존 실험 한계와 비교하기 위해.
• 다양한 $W^+W^-$ 붕괴 채널—전자기적, 반전자기적, 강입자적—이 $\Delta\kappa_\gamma$와 $\lambda_\gamma$에 대한 민감도에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 이방성 $W^+W^-\gamma$ 결합을 $\Delta\kappa_\gamma$와 $\lambda_\gamma$로 매개변수화하기 위해 차수 6의 게이지 불변 연장 이론(EFT)을 사용한 모델 독립적 접근.
• CLIC에서 $\gamma\gamma$, $\gamma\gamma^*$, $\gamma^{*}\gamma^{*}$ 과정의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하며, 전체 이벤트 재구성과 검출기 효과를 포함.
• 전자기적, 반전자기적, 강입자적 붕괴 모드에서의 $W^+W^-$ 생성 분석을 통해 이방성 결합에 대한 민감도를 최적화.
• 실제 실험 조건을 반영하기 위해 체계적 오차 스캔($\delta_{\text{sys}} = 0, 3, 5\%$)을 수행하여 한계의 강건성 평가.
• 다양한 루미노시티와 에너지 설정에서 신호 유의도와 95% 신뢰수준(C.L.)에서의 기대 한계를 비교.
• $\gamma\gamma \to W^+W^-$에서 $t$-채널 및 $u$-채널 도형을 사용하여 $W^+W^-\gamma$ 정점 기여를 $W^+W^-Z$ 결합 기여로부터 분리.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 에너지 및 루미노시티 단계에서 $\gamma\gamma$, $\gamma\gamma^*$, $\gamma^{*}\gamma^{*}$ 충돌을 이용한 CLIC의 이방성 $W^+W^-\gamma$ 결합에 대한 민감도는 어떠한가?
• RQ2 CLIC에서의 $\Delta\kappa_\gamma$와 $\lambda_\gamma$에 대한 한계는 LHC, 테바트론, LEP 실험의 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 전자기적, 반전자기적, 강입자적 중 어느 $W^+W^-$ 붕괴 채널이 CLIC에서 이방성 결합에 대해 가장 높은 민감도를 제공하는가?
• RQ4 0%, 3%, 5%의 체계적 오차가 CLIC에서 $\Delta\kappa_\gamma$와 $\lambda_\gamma$ 한계의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 CLIC는 현재의 실험 한계를 초과하여 $\Delta\kappa_\gamma$와 $\lambda_\gamma$에 대해 3개 이상의 주기수 정밀도를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• $\sqrt{s} = 3$ TeV 및 $\mathcal{L} = 5$ ab$^{-1}$ 조건에서, CLIC는 강입자 붕괴 채널에서 $\gamma\gamma \to W^+W^-$를 통해 95% C.L. 한계 $\Delta\kappa_\gamma = [-7, 7] \times 10^{-5}$를 확보한다.
• $e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$ 과정에서, CLIC는 $\lambda_\gamma = [-0.13, 3.40] \times 10^{-3}$의 95% C.L. 한계를 확보하며, $\lambda_\gamma$에 대한 높은 민감도를 보여준다.
• $e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$ 모드는 $\Delta\kappa_\gamma = [-4.8, 4.9] \times 10^{-4}$의 95% C.L. 한계를 제공하며, $\Delta\kappa_\gamma$에 대한 강력한 민감도를 나타낸다.
• CLIC의 고에너지 단계(1.5 및 3 TeV)는 정밀 측정에 필수적이며, $\lambda_\gamma$와 $\Delta\kappa_\gamma$에 대한 민감도에서 저에너지 충돌기들보다 뚜렷이 뛰어나다.
• 최대 5%의 체계적 오차는 중간 정도의 영향을 미치지만, CLIC는 $\Delta\kappa_\gamma$에 대해 $10^{-4}$ 이하의 정밀도와 $\lambda_\gamma$에 대해 $10^{-3}$ 수준의 정밀도를 유지하며 강건성을 확인한다.
• CLIC의 $\Delta\kappa_\gamma$와 $\lambda_\gamma$에 대한 한계는 ATLAS, CMS, CDF, D0, LEP의 결과보다 크기로 $\mathcal{O}(10^{-3} - 10^{-2})$ 이상 뛰어나며, 이는 이방성 결합 탐색의 정밀도에서의 열세를 확인한다.