[논문 리뷰] Testing the Technicolor Interpretation of CDF's Dijet Excess at the LHC

E. Eichten, Kenneth Lane외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CDF의 150 GeV 이중제트 초과 현상에 대한 저스케일 테크놀로지컬(저스케일테크놀로지, LSTC) 해석을 검증하기 위해 LHC에서의 기술라이고(technirho) 공명체 $\rho_T \to W\pi_T$ 및 관련된 $Z\pi_T$, $WZ$ 붕괴 채널에 대한 전용 LHC 탐색 전략을 제안한다. CDF/ATLAS의 기존 절차보다 더 깔끔하고 민감도가 높은 운동량 캐시를 규명함으로써, $Z\pi_T \to \ell^+\ell^-jj$ 및 $WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu$ 모드—특히 후자는 더욱 중요하게—1–20 fb$^{-1}$의 LHC 데이터로 LSTC 가설을 확인하거나 배제할 수 있음을 보여주며, 단계 공간과 LSTC 매개변수 $\sin\chi$를 활용해 붕괴율을 예측한다.

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--20 inverse femtobarns of data. We describe interesting new kinematic tests that can provide independent confirmation of this LSTC hypothesis. We find that cuts similar to those employed by CDF, and recently by ATLAS, cannot confirm the dijet signal. We propose cuts tailored to the LSTC hypothesis and its backgrounds at the LHC that may reveal $ρ_T ightarrow \ellνjj$. Observation of the isospin-related channel $ρ^{pm}_T ightarrow Z π^{pm}_T ightarrow \ell^+ \ell^- jj$ and of $ρ^{pm}_T ightarrow WZ$ in the three lepton plus neutrino and dilepton plus dijet modes will be important confirmations of the LSTC interpretation of the CDF signal. The $Zπ_T$ channel is experimentally cleaner than $Wπ_T$ and its rate is known from $Wπ_T$ by phase space. It can be discovered or excluded with the collider data expected in 2012. The $WZ ightarrow 3\ellν$ channel is cleanest of all and its rate is determined from $Wπ_T$ and the LSTC parameter $\sinχ$. This channel and $WZ ightarrow \ell^+\ell^- jj$ are discussed as a function of $\sinχ$.

연구 동기 및 목표

• CDF의 150 GeV 이중제트 초과 현상이 기술라이고 공명체의 $\rho_T \to W\pi_T$ 붕괴에서 기인한다는 저스케일 테크놀로지(LSTC) 가설을 검증하기 위해.
• CDF 및 ATLAS의 기존 절차보다 더 높은 민감도를 보이는 LHC 탐색 전략을 제안하여 $\rho_T \to W\pi_T$ 및 관련된 $Z\pi_T$, $WZ$ 붕괴 모드를 탐지하기 위해.
• 특히 $Z\pi_T \to \ell^+\ell^-jj$ 및 $WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu$와 같은 실험적으로 더 깔끔한 채널을 규명하여, 1–20 fb$^{-1}$의 데이터로 LSTC 해석을 확인하거나 배제할 수 있도록.
• LSTC 매개변수 $\sin\chi$에 따라 변화하는 $WZ$ 붕괴 분율을 정량화함으로써, 이러한 채널의 발견 가능성을 $\sin\chi$ 함수로 기술하기 위해.

제안 방법

• LSTC 가설에 특화된 새로운 운동량 캐시 세트를 제안하여, $\rho_T \to W\pi_T$ 및 관련된 $Z\pi_T$, $WZ$ 붕괴 모드의 신호 대 배경 비율을 향상시키기 위해 중점적으로 다룬다.
• 단일 단계 공간 적분과 자코비안 변환을 사용하여 미분 단면적 $d\sigma/d(\Delta R)$를 모델링하며, 여기서 $\Delta R$는 기술라이고 공명체에 민감한 변수이다.
• 단면적의 임계값 행동을 계산하기 위해 페이드에프-포포프 유사 기법을 적용하여, 운동학적 임계값 근처에서 제곱근 특이성 $\propto \sqrt{\Delta R - (\Delta\chi)_{\rm min}}$을 유도한다.
• 최소값 $\Delta R = (\Delta\chi)_{\rm min}$ 근처에서 포물형 근사법을 사용하여 $d\sigma/d(\Delta R)$의 특이 행동을 유도하며, 곡률는 계수 $b_{\theta}, b_{\theta^*}, b_{\phi^*}$에 의해 결정된다.
• 단계 공간 적분을 단순화하기 위해 변수 $\rho, \kappa$의 치환을 도입하여, 임계값 특이성을 분석적으로 다룰 수 있도록 한다.
• 기존의 $W\pi_T$ 붕괴율과 LSTC 매개변수 $\sin\chi$를 활용하여 $WZ$ 붕괴율을 예측함으로써, 서로 다른 채널 간의 일관성 검증이 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDF의 150 GeV 이중제트 초과 현상이 기인한 것으로 보이는 $\rho_T \to W\pi_T$ 공명체가 LHC에서 탐지 가능한가?
• RQ2 CDF 및 ATLAS에서 사용된 절차보다 LHC에서 $\rho_T \to W\pi_T$ 신호에 대해 훨씬 높은 민감도를 보이는 운동량 캐시가 존재하는가?
• RQ3 $Z\pi_T \to \ell^+\ell^-jj$ 채널은 $W\pi_T \to \ell\(\nu\)jj 채널보다 실험적으로 더 깔끔한가, 그리고 1–20 fb$^{-1}$의 데이터로 발견되거나 배제될 수 있는가?
• RQ4 $WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu$ 채널이 LSTC 가설의 최종 확인 수단이 될 수 있는가, 그리고 그 붕괴율은 $\sin\chi$에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 $\rho_T$ 생성 및 붕괴에 대한 미분 단면적 $d\sigma/d(\Delta R)$의 임계값 행동은 어떻게 되며, 이는 신호 추출에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $Z\pi_T \to \ell^+\ell^-jj$ 채널은 $W\pi_T \to \ell\(\nu\)jj 채널보다 실험적으로 더 깔끔하며, 1–20 fb$^{-1}$의 LHC 데이터로 발견되거나 배제될 수 있다. 이는 $W\pi_T$ 모드에서의 단계 공간에 의해 결정되기 때문이다.
• $WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu$ 채널은 모든 채널 중에서 가장 깔끔하며, $W\pi_T$ 붕괴율과 LSTC 매개변수 $\sin\chi$에 의해 완전히 결정되므로, 핵심 확인 채널이 된다.
• 미분 단면적 $d\sigma/d(\Delta R)$는 임계값 근처에서 제곱근 특이성 $\propto \sqrt{\Delta R - (\Delta\chi)_{\rm min}}$을 보이며, 이는 $\rho_T$ 공명체에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 표준 CDF 및 ATLAS 스타일의 절차만으로는 이중제트 신호를 확인하기에 부족하며, 오히려 LSTC 모델에 특화된 새로운 절차가 필요로 한다.
• $WZ \to \ell^+\ell^-jj$ 모드 역시 탐지 가능한 가능성이 있으며, 그 붕괴율은 $W\pi_T$ 붕괴율과 $\sin\chi$로부터 예측 가능하며, 신호 강도는 $\sin\chi$의 값에 따라 달라진다.
• 분석 결과, 워킹 테크놀로지의 영향으로 $\rho_T$의 $W\pi_T$ 붕괴가 억제되며, 이는 $M_{\pi_T}$가 $M_{\rho_T}$보다 상대적으로 증가함에 따라 모든 $\pi_T$ 붕괴 모드가 닫히고, 약한 보존을 포함한 최종 상태가 유리해진다.