[论文解读] Testing CDF's Dijet Excess and Technicolor at the LHC

E. Eichten, Kenneth Lane+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 5

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上，通过优化截断条件来隔离本征共振态衰变为技术π介子与W玻色子的可观测性。研究发现，标准CDF类截断不足以分离信号与背景，但针对同位旋相关的 $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ 和 $\rho_T^{\pm} \to WZ$ 衰变模式的定制选择可使信号在 $\sim 1-5\,\text{fb}^{-1}$ 数据量下被揭示。

ABSTRACT

Under the assumption that the dijet excess seen by the CDF Collaboration near 150 Gev in Wjj production is due to the lightest technipion of the low-scale technicolor process $ρ_T ightarrow W π_T$, we study its observability in LHC detectors with 1-5 fb^{-1} of data. We find that cuts similar to those employed by CDF are unlikely to confirm its signal. We propose cuts tailored to the LSTC hypothesis and its backgrounds at the LHC that can reveal $π_T ightarrow jj$. We also stress the importance at the LHC of the isospin-related channel $ρ^{\pm}_T ightarrow Zπ^{\pm}_T ightarrow \ell\ell jj$ and the all-lepton mode $ρ^{pm}_T ightarrow WZ ightarrow 3\ell + ν$.

研究动机与目标

• 评估在低尺度技术色（LSTC）假说下，CDF在约150 GeV附近的二胶子喷注过剩是否可在LHC上得到确认。
• 识别能够将技术π介子（$\pi_T$）信号与主导的 $Wjj$ 背景分离的运动学截断条件。
• 提出替代衰变道——特别是 $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ 和 $\rho_T^{\pm} \to WZ$ ——以提供更清晰的信号，用于检验LSTC模型。
• 利用真实模拟和亮度估计，评估LHC实验对 $\pi_T \to jj$ 和 $\rho_T \to Wjj$ 信号的灵敏度。

提出的方法

• 使用Pythia模拟LHC上LSTC参数下的 $\rho_T \to W\pi_T \to Wjj$ 产生过程：$M_{\rho_T} = 290\,\text{GeV}$，$M_{\pi_T} = 160\,\text{GeV}$，$\sin\chi = 1/3$，$N_{TC} = 4$，且 $Q_U = Q_D + 1 = 1$。
• 对 $\rho_T \to W\pi_T \to \ell\,\nu_{\ell}jj$ 事件应用CDF类截断，包括轻子和喷注的 $p_T$ 与 $\eta$ 要求、$\Delta R$ 和 $\Delta\phi$ 约束，以及缺失横向能量。
• 提出新型、定性不同的截断以避免背景在信号附近集中：$p_T(j_1) > 40\,\text{GeV}$，$p_T(j_2) > 30\,\text{GeV}$，$p_T(jj) > 45\,\text{GeV}$，$\Delta\eta(jj) < 1.2$，以及 $Q > 20\,\text{GeV}$。
• 评估在 $1\,\text{fb}^{-1}$ 和 $5\,\text{fb}^{-1}$ 样本中，$\pi_T \to jj$ 和 $\rho_T \to Wjj$ 的信号与背景比值（$S/\sqrt{B}$ 和 $S/B$）。
• 模拟同位旋相关的模式 $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm} \to \ell^+\ell^-jj$ 和 $\rho_T^{\pm} \to WZ \to \ell^\pm\nu_{\ell}\ell^+\ell^-$，使用专用截断估算截面和信号显著性。
• 使用矩阵元级背景生成（ALPGEN）与部分子喷注（Pythia）匹配，归一化至NLO $W+jj$ 截面（MCFM）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LSTC假说下，CDF在约150 GeV附近的二胶子喷注过剩是否可在LHC上被观测到？
• RQ2 标准CDF类截断是否足以在LHC上将 $\pi_T \to jj$ 信号与主导的 $Wjj$ 背景分离？
• RQ3 是否可通过替代的、基于运动学的定制截断改善信号分离并减少背景在信号附近的集中？
• RQ4 同位旋相关的模式 $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm}$ 和 $\rho_T^{\pm} \to WZ$ 是否提供更清晰的信号以确认LSTC模型？
• RQ5 LHC需要多大的亮度才能使 $\pi_T \to jj$ 和 $\rho_T \to Wjj$ 信号的 $S/\sqrt{B} \gtrsim 3$？

主要发现

• 即使在 $5\,\text{fb}^{-1}$ 数据量下，标准CDF类截断仍不足以在LHC上分离 $\pi_T \to jj$ 信号，原因是背景在信号附近集中。
• 所提出的截断——$p_T(j_1) > 40\,\text{GeV}$，$p_T(j_2) > 30\,\text{GeV}$，$p_T(jj) > 45\,\text{GeV}$，$\Delta\eta(jj) < 1.2$，以及 $Q > 20\,\text{GeV}$ ——在 $1\,\text{fb}^{-1}$ 数据下，使 $\pi_T \to jj$ 的 $S/\sqrt{B} = 2.80$ 且 $S/B = 0.078$。
• $\rho_T \to Wjj$ 信号在 $260 < M_{Wjj} < 300\,\text{GeV}$ 范围内，$S/\sqrt{B} = 2.50$ 且 $S/B = 0.089$（$1\,\text{fb}^{-1}$），因此在 $\sim 5\,\text{fb}^{-1}$ 下可观测。
• $\rho_T^{\pm} \to Z\pi_T^{\pm} \to \ell^+\ell^-jj$ 模式的截面为 $165\,\text{fb}$，在 $5\,\text{fb}^{-1}$ 下达到 $S/\sqrt{B} = 3.12$ 且 $S/B = 0.18$，使其成为一个可行的确认通道。
• $\rho_T^{\pm} \to WZ \to \ell^\pm\nu_{\ell}\ell^+\ell^-$ 模式的截面为 $25\,\text{fb}$，预计在 $\sim 5\,\text{fb}^{-1}$ 数据下可被观测。
• $M_{jj}$ 中 $80\,\text{GeV}$ 附近的 $Wjj$ 背景峰允许对背景归一化进行自标定，从而增强信号提取的稳健性。