[论文解读] Sensitivity to the Single Production of Vector-Like Quarks at an Upgraded Large Hadron Collider

T. Andeen, C. Bernard+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 10

一句话总结

本文评估了升级版大型强子对撞机（LHC）通过电弱相互作用对矢量夸克单态产生的敏感度，重点研究了矢量夸克（VLQs）与顶夸克之间存在大混合的复合希格斯模型。通过在质心系能量为14、33和100 TeV下，采用不同堆叠水平的蒙特卡罗模拟，研究发现，在高亮度条件下，LHC在tZ通道中可探测到约1.2 TeV的VLQ质量，在H_T通道中可探测到约1.0 TeV的VLQ质量，表明单态产生在探测标准模型之外的新物理方面具有潜力。

ABSTRACT

In this note we consider the sensitivity of the Large Hadron Collider (LHC) to the single production of new heavy vector-like quarks. We consider a model with large mixing with the standard model top quark with electroweak production of single heavy top quarks. We consider center of mass energies of 14, 33, and 100 TeV with various pileup scenarios and present the expected sensitivity and exclusion limits.

研究动机与目标

• 评估升级版LHC通过电弱相互作用对矢量夸克（VLQs）单态产生的敏感度。
• 在矢量夸克与顶夸克之间存在大混合的复合希格斯框架下，建立VLQ的唯象学模型。
• 评估在多个质心系能量（14、33、100 TeV）和堆叠情景下的预期发现与排除极限。
• 比较两种主要衰变道中的信号与背景产率：tZ和H_T（高H_T末态）。

提出的方法

• 采用基于SO(5)复合希格斯和翘曲额外维度的两站点有效场论模型，描述VLQ及其耦合。
• 应用场旋转以对角化基本费米子与复合费米子之间的混合，推导出与SM夸克和弱玻色子的有效耦合。
• 在14、33和100 TeV质心系能量下，对信号和背景过程进行蒙特卡罗模拟，堆叠相互作用数为0、50和140。
• 采用反k_t喷流（R=0.5）、b夸克标记、轻子识别以及通过W玻色子质量约束重建缺失横向动量（MET）的方法进行事例重建。
• 应用运动学截断：H_T > 750 GeV，三个b喷流，两个前向喷流（|η| > 3.0），以及在H_T通道中重建顶夸克质量。
• 在tZ通道中，选择具有相同荷轻子对且质量接近Z玻色子质量（±10 GeV）的三轻子事例，并通过第三个轻子与b喷流重建顶夸克。

实验结果

研究问题

• RQ1 在14、33和100 TeV质心系能量下，升级版LHC对矢量夸克单态产生的预期敏感度如何？
• RQ2 堆叠水平（0、50、140次相互作用）如何影响信号与背景的区分能力及发现范围？
• RQ3 在高亮度条件下，tZ和H_T末态中矢量夸克质量的排除极限是多少？
• RQ4 复合希格斯模型中的有效耦合如何影响VLQ的产生与衰变率？

主要发现

• 在100 TeV质心系能量和140次堆叠相互作用下，LHC在tZ通道中对质量高达1.2 TeV的矢量夸克可实现约5σ的发现显著性。
• 在H_T通道中，LHC在100 TeV和140次堆叠条件下可探测到约1.0 TeV的VLQ质量，处于相似的亮度条件。
• 在33 TeV质心系能量下，tZ通道中VLQ质量约为800 GeV时，预期显著性可达约3σ，堆叠为140次。
• 两种通道中主要背景为SM t\bar{t}产生，而二玻色子和t\bar{t}+V过程在tZ通道中贡献显著。
• 通过H_T > 750 GeV、b夸克识别和前向喷流标记（|η| > 3.0）等运动学截断，提高了信号效率和背景抑制能力。
• 通过W玻色子质量约束进行事例重建，可解决中微子动量的不确定性，从而在两种通道中提高顶夸克候选事例的分辨率。