[논문 리뷰] Symmetry Restored in Dibosons at the LHC?

Johann Brehmer, JoAnne L. Hewett외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 16

한 줄 요약

논문은 LHC에서 다이보손, 다이젯, 그리고 연관 힉스 검색에서 관측된 1.8–2.0 TeV 공명이 왼쪽-오른쪽 대칭 모형에서의 무거운 오른쪽 수반 보존(WR)으로 설명될 수 있다고 제안한다. 이 모형은 단일 결합 상수 gR ≈ 0.4를 가진다. 이 모형은 WZ/ZZ, HW, 다이젯, 그리고 tb 최종 상태의 초과를 동시에 설명하면서 현재의 배제 한계를 회피할 수 있으며, 어두운 물질과 ZR 매개의 결합을 통해 관련이 있을 수 있다. ZR 질량의 반값 근처에 어두운 물질 후보가 존재할 경우이다.

ABSTRACT

A number of LHC resonance search channels display an excess in the invariant mass region of 1.8 - 2.0 TeV. Among them is a $3.4\,σ$ excess in the fully hadronic decay of a pair of Standard Model electroweak gauge bosons, in addition to potential signals in the $HW$ and dijet final states. We perform a model-independent cross-section fit to the results of all ATLAS and CMS searches sensitive to these final states. We then interpret these results in the context of the Left-Right Symmetric Model, based on the extended gauge group $SU(2)_L imes SU(2)_R imes U(1)'$, and show that a heavy right-handed gauge boson $W_R$ can naturally explain the current measurements with just a single coupling $g_R \sim 0.4$. In addition, we discuss a possible connection to dark matter.

연구 동기 및 목표

• 1.8–2.0 TeV 범위에서 다이보손, 다이젯, 그리고 연관 힉스 최종 상태에서 관측된 다수의 독립적 LHC 초과를 단일 새로운 물리 신호로 해석하기 위해.
• 왼쪽-오른쪽 대칭 모형에서의 무거운 WR 보존이 기존 제약 조건을 위반하지 않으면서 모든 관측 초과를 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 자기 조화된 ZR 매개의 결합을 통해 어두운 물질 잔여 밀도를 동시에 설명할 수 있는지 모델의 타당성을 탐색하기 위해.
• 이론 모델 구축을 안내하기 위해 ATLAS 및 CMS 데이터의 다수 최종 상태에 걸쳐 모델 독립적인 단면적 피팅을 제공하기 위해.

제안 방법

• 1.8–2.0 TeV 범위에서 다이보손, 다이젯, tb, VH 최종 상태에 민감한 14개의 ATLAS 및 CMS 검색에 대해 모델 독립적인 컷-앤드-카운트 단면적 피팅을 수행한다.
• 관측된 사건 수와 기대된 사건 수 간의 피어슨 검정을 사용한 빈도주의 접근 방식을 사용하며, 체계적 불확실성을 정규 분포 근사와 부가 매개변수 최적화를 통해 통합한다.
• 독립된 검색 간의 p-값을 조합하기 위해 파이셔의 방법을 적용하여 전체 의미도, 최적 피팅 단면적, 68%/90% 신뢰 영역을 계산한다.
• 왼쪽-오른쪽 대칭 모형(LRM)으로 확장하여 게이지 군 SU(2)L × SU(2)R × U(1)′을 사용하며, WR 질량과 결합 상수 gR를 데이터에 맞추기 위해 피팅한다.
• 어두운 물질의 타당성을 분석하기 위해 중성 성분을 가진 페르미온 이중체를 가정하고, WR와 공형성형이 일어나도록 하며, 정확한 잔여 밀도를 위해 공명 ZR 교환을 요구한다.
• CLs 방법을 사용하여 상한을 계산하고, 실험적 제한에 맞추기 위해 신호 효율성과 배경 불확실성을 재조정하여 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.8–2.0 TeV 범위의 단일 공명이 다이보손, 다이젯, 그리고 연관 힉스 최종 상태에서 관측된 다수의 독립적 LHC 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 무거운 WR 보존이 포함된 왼쪽-오른쪽 대칭 모형이 모든 초과를 설명하면서 현재 LHC 배제 한계와 일치하는가?
• RQ3 WR가 데이터를 설명하기 위해 필요한 결합 강도 gR는 얼마이며, 이는 모형의 자연스러움에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 동일한 WR 또는 ZR 상태가 어두운 물질의 결합을 매개하여 정확한 잔여 밀도를 달성할 수 있는가? 이는 어두운 물질 질량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 ZR 보존의 예상 질량은 얼마이며, LHC에서 이 상태를 발견할 잠재력은 어떠한가?

주요 결과

• 단면적 피팅 결과, ATLAS의 완전하게 하드론적인 WZ 최종 상태에서 약 2.0 TeV에서 국소적 3.4 σ 초과가 나타났으며, ZZ 및 WW 채널에서 각각 2.9 σ 및 2.6 σ 초과가 관측되었다.
• CMS는 약 1.8 TeV에서 다이젯 최종 상태에서 2.2 σ 초과를 관측했고, ATLAS에서는 1 σ 초과를 보였으며, CMS의 HW 최종 상태에서는 2.1 σ 초과가 있었다.
• WZ/ZZ 최종 상태의 최적 피팅 단면적은 약 5.2 fb이며, HW 최종 상태는 약 1.2 fb를 선호하고, 다이젯 최종 상태는 약 6.0 fb를 보였다.
• 약 1.8–2.0 TeV에서 질량을 가지며 gR ≈ 0.4인 WR 보존을 포함한 왼쪽-오른쪽 대칭 모형은 모든 초과를 설명하면서 현재의 LHC 배제 한계를 회피할 수 있다.
• 모형은 ZR 질량 약 2.0 TeV를 예측하며, LHC에서 1.8–2.0 TeV 범위에서 이 상태를 발견할 잠재력이 있다.
• 어두운 물질의 경우, ZR를 매개로 한 공명 결합은 어두운 물질 후보 질량이 ZR 질량의 반값에 가까워야 한다고 요구한다. 즉, m_ZR ≈ 2.0 TeV이면 m_DM ≈ 1.0 TeV이 된다.