[論文レビュー] Physics performances for Z' searches at 3 TeV and 1.5 TeV CLIC

Jean-Jacques Blaising, James D. Wells|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、CLIC加速器（$√s} = 1.4$ TeVおよび3 TeV）における最小異常自由$Z^{\prime}$（AFZ$^\prime$）モデルにおける$Z^{\prime}$ボソンの発見可能性と結合定数の精度を評価している。$e^{+}e^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}$過程における全微分断面積、前後方向および左-右対称性を用いて、CLICが$Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$結合定数を2–20%の精度で決定可能であることを示している。偏光ビームが精度を確保するために不可欠であり、$Z^{\prime}$質量が50 TeVに達する場合でさえも有効である。

ABSTRACT

Extra neutral gauge bosons (Z') are predicted in many extensions of the Standard Model (SM). In the minimal anomaly-free Z' model (AFZ'), the phenomenology is controlled by only three parameters beyond the SM ones, the Z' mass and two effective coupling constants g'_Y and g'_{BL}. We study the Z' 5-sigma discovery potential in e+e- collisions at 1.4 and 3 TeV CLIC. Assuming LHC discovers a Z' of 5 TeV mass, the expected accuracies on the Z'mu+mu- couplings are presented. We discuss also the requirements on detector performance and beam polarization.

研究の動機と目的

• CLICが$√s} = 1.4$ TeVおよび3 TeVで稼働する状況下で、最小異常自由$Z^{\prime}$（AFZ$^\prime$）モデルにおける$Z^{\prime}$ボソンの$5\sigma$発見可能性を評価すること。
• LHCが5 TeVで$Z^{\prime}$を発見した場合に、CLICが$Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$結合定数（$g^{\prime}_{Y}$, $g^{\prime}_{BL}$）をどの程度の精度で決定できるかを評価すること。
• ビーム偏光および検出器性能が結合定数測定精度をどのように向上させるかを調査すること。
• CLICが、衝突エネルギーよりもはるかに大きな$Z^{\prime}$質量をどのように探査できるかを特定すること、特にLHCが生成できないような重い$Z^{\prime}$状態についても含む。

提案手法

• 標準模型（SM）過程にはWhizard 6.4、AFZ$^\prime$モデル過程にはWhizard 2.0を用いたイベント生成。
• GuineaPigビームシミュレーションとCDR加速器パrametersを用いて、ビームストラールングおよび初期状態放射の効果を組み込み。
• $e^{+}e^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}$過程における3つの主要な観測量（全微分断面積（$\sigma_{\text{tot}}$）、前後方向非対称性（$A_{\text{FB}}$）、左-右非対称性（$A_{\text{LR}}$））を用いる。
• 選別カットを適用してSMおよびビーム由来のバックグラウンドを抑制し、信号効率は1.4 TeVで15.1%、3 TeVで5.9%を達成。
• 電子ビームに$+80\%$および$-80\%$の偏光を導入して$A_{\text{LR}}$を測定可能にし、陽電子ビームは非偏光のままとする。
• 理論的予測をシミュレートデータにフィットさせ、$3\sigma$信頼水準での$Z^{\prime}$結合定数およびその不確実性を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLICが1.4 TeVおよび3 TeVで稼働する状況下で、AFZ$^\prime$モデルにおける$Z^{\prime}$ボソンの$5\sigma$発見可能性はどの程度か？
• RQ2 LHCが5 TeVで$Z^{\prime}$を発見した場合、CLICは$Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$結合定数（$g^{\prime}_{Y}$, $g^{\prime}_{BL}$）をどの程度の精度で決定できるか？
• RQ3 ビーム偏光が$Z^{\prime}$結合定数の測定および発見可能性に与える影響は何か？
• RQ4 CLICは、特にLHCが生成できないような重い$Z^{\prime}$状態を、中心エネルギーよりもはるかに大きな質量の$Z^{\prime}$についてどの程度まで探査できるか？
• RQ5 AFZ$^\prime$モデルのパラメータ空間全域で、$g^{\prime}_{Y}$および$g^{\prime}_{BL}$の不確実性はどのように変化するか？

主な発見

• $\sqrt{s} = 1.4$ TeVで統合された光度500 fb$^{-1}$の条件下では、CLICはパラメータ空間の大部分で$Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$結合定数を2–20%の精度で決定可能である。
• $g^{\prime}_{Y} = 0.02$および$g^{\prime}_{BL} = 0.2$の場合、$3\sigma$等高線は$g^{\prime}_{Y}$と$g^{\prime}_{BL}$がともに正のとき約2%の精度を示す。
• $g^{\prime}_{Y}$が負で$g^{\prime}_{BL}$が正の場合（例：$g^{\prime}_{Y} = -0.5$, $g^{\prime}_{BL} = 0.02$）、結合定数の精度は約20%に低下する。
• 偏光ビームは、$g^{\prime}_{Y}$および$g^{\prime}_{BL}$の解像度を著しく向上させるため、精度測定に不可欠であり、発見可能性への向上効果はやや小さい。
• CLICは、$Z^{\prime}$質量が1.4 TeVで30 TeV、3 TeVで50 TeVに達する場合でも、$M_{Z^\prime}$に依存する要因を含む縮小結合定数の感度のおかげで、標準模型からのずれを検出可能である。
• 信号選別効率は1.4 TeVで15.1%、3 TeVで5.9%であり、運動量的およびトポロジカルなカットにより効果的なバックグラウンド抑制が実現されている。