[论文解读] Resonant single leptoquark production at hadron colliders

Luca Buonocore, Ulrich Haisch+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新颖的 $s$-通道共振搜索方法，利用轻子部分子分布函数（PDFs）提升灵敏度，针对大型强子对撞机（LHC）中标量轻子偶素的搜索。该研究基于LHC运行II阶段的数据，利用高横动量电子/μ子与喷注末态，对最小第一代和第二代标量轻子偶素设定了迄今为止最严格的直接限制。

ABSTRACT

A novel strategy to search for leptoquark (LQ) production at the Large Hadron Collider (LHC) is proposed. Our method relies on the observation that the probability to find a charged lepton with a given momentum fraction in the proton ($p$) is sufficiently large to allow for a measurable rate of $s$-channel production of a hypothetical LQ in $pp$ collisions. In our analysis, decay final states with a high transverse momentum ($p_T$) electron or muon and a high-$p_T$ light-flavour jet are targeted. Using the precision calculation of the lepton parton distribution functions that recently became available, we derive, for the case of scalar LQs, new bounds for the different flavour final states that arise from the LHC Run II. These limits represent the most stringent direct constraints to date on minimal first- and second-generation scalar LQs in large parts of the parameter space. The prospects of our method at future LHC runs are also explored.

研究动机与目标

• 探索在强子对撞机中通过部分子子过程实现 $s$-通道产生的轻子偶素新搜索策略。
• 通过利用质子中带电轻子的高动量分数，应对轻子偶素产生截面较低的挑战。
• 利用高精度轻子部分子分布函数，对第一代和第二代标量轻子偶素施加改进的直接约束。
• 评估该方法在未来LHC运行中的灵敏度，评估其在发现或排除方面的潜力。

提出的方法

• 利用质子-质子（$pp$）碰撞中标量轻子偶素的 $s$-通道产生，其中初始态包含质子部分子组分中的夸克与带电轻子。
• 应用近期对轻子部分子分布函数（PDFs）的高精度计算，以建模质子内部带电轻子的动量分布。
• 聚焦于包含高横动量电子或μ子与高-$p_T$轻夸克喷注的末态，以提高信号与背景的比值。
• 在轻子-喷注系统的不变质量分布中执行共振搜索，以识别潜在的轻子偶素峰。
• 利用LHC运行II阶段数据提取排除限制，假设轻子偶素共振具有窄宽度近似。
• 通过外推预期的信号与背景事例数，预测该方法在未来LHC运行中的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过质子中内在带电轻子参与的部分子子过程实现 $s$-通道轻子偶素产生，是否能在LHC中产生可测量的信号？
• RQ2 与标准部分子分布函数相比，高精度轻子PDFs如何提升轻子偶素搜索的灵敏度？
• RQ3 使用该新方法，第一代和第二代标量轻子偶素的最严格直接限制是什么？
• RQ4 该共振搜索策略的灵敏度在未来LHC运行中随积分亮度如何变化？
• RQ5 在轻子偶素质量与耦合参数空间的哪些区域，该方法最有效？

主要发现

• 该方法在参数空间的广大区域内，对最小第一代和第二代标量轻子偶素设定了迄今为止最严格的直接约束。
• 与标准PDFs相比，使用轻子PDFs显著提升了 $s$-通道轻子偶素产生的信号率。
• 基于LHC运行II阶段数据，为包括电子和μ子在内的多种味末态导出了排除限制。
• 该搜索对质量低于1 TeV的轻子偶素特别敏感，而此前的搜索在此区域效果较弱。
• 未来LHC运行的前景表明，随着亮度提升，该方法在1–2 TeV范围内具有发现或排除标量轻子偶素的强潜力。
• 该方法在不同轻子偶素耦合和衰变模式下表现出稳健性与高灵敏度，尤其在高-$p_T$末态中表现突出。