[论文解读] The No-Higgs Signal: Strong WW Scattering at the LHC

Michael S. Chanowitz|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文提出，在没有轻希格斯玻色子的情况下，大型强子对撞机（LHC）上的强WW散射可作为电弱规范对称性自发破缺的决定性探测手段。通过分析 $W_LW_L$ 融合过程，表明单位性约束将强相互作用尺度固定在1 TeV以上，并识别出 $W^+W^+$ 和 $W^\pm Z$ 末态为关键信号，其最小亮度为150 fb$^{-1}$，可确保在最坏情况下实现发现——从而确立了一种‘无损失’策略，用于揭示电弱规范对称性自发破缺的机制。

ABSTRACT

Strong WW scattering at the LHC is discussed as a manifestation of electroweak symmetry breaking in the absence of a light Higgs boson. The general framework of the Higgs mechanism -- with or without a Higgs boson -- is reviewed, and unitarity is shown to fix the scale of strong WW scattering. Strong WW scattering is also shown to be a possible outcome of five-dimensional models, which do not employ the usual Higgs mechanism at the TeV scale. Precision electroweak constraints are briefly discussed. Illustrative LHC signals are reviewed for models with QCD-like dynamics, stressing the complementarity of the W^{\pm}Z and like-charge W^+W^+ + W^-W^- channels.

研究动机与目标

• 确立强WW散射作为LHC探测电弱规范对称性自发破缺的关键实验信号。
• 证明若不存在强WW散射，则表明在1 TeV以下存在弱耦合动力学，指向希格斯玻色子的存在。
• 识别并评估在无轻希格斯玻色子的模型中，LHC对强WW散射最敏感的信号。
• 确定在各种理论情景下确保强WW散射发现或排除所需的最小亮度。
• 表明 $W^+W^+$ 和 $W^\pm Z$ 末态可作为强相互作用的互补且稳健的探测通道。

提出的方法

• 分析 $pp$ 碰撞中 $W_LW_L$ 融合过程，其中初态夸克发射的纵向极化 $W$ 玻色子发生散射，形成末态的稳定终态。
• 应用等效定理，将 $W_L$ 模式视为强规范对称性破缺区的戈戈利玻色子，从而实现有效场论分析。
• 利用单位性约束来限制强WW散射的尺度，表明若动力学为强相互作用，则该尺度必须接近1 TeV。
• 在具有QCD类强相互作用动力学的模型中，评估 $W^+W^+$ 和 $W^\pm Z$ 末态的信号与背景速率，包括 $\rho$-共振模型。
• 在考虑实际探测器假设（如轻子识别效率和背景抑制）的前提下，估算亮度需求。
• 考虑前向喷流标记和混合衰变模式（如 $W$ 强子衰变、$Z$ 轻子衰变）以提高信号与背景比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，哪些实验信号可明确表明电弱规范对称性自发破缺中的强相互作用？
• RQ2 LHC如何区分轻希格斯玻色子与强耦合规范对称性破缺区？
• RQ3 在所有可行的理论模型中，确保发现强WW散射所需的最小积分亮度是多少？
• RQ4 $W^+W^+$ 和 $W^\pm Z$ 末态在探测强WW散射方面灵敏度如何比较？
• RQ5 LHC能否以高置信度排除强WW散射？若能，这将对电弱规范对称性自发破缺的本质意味着什么？

主要发现

• $W^+W^+$ 末态在最坏情况下提供了最强有力的强WW散射信号，仅需150 fb$^{-1}$ 的积分亮度即可满足显著性标准。
• 对于 $m_\rho = 2.5$ TeV 的 $\rho$-共振模型，$W^+W^+$ 通道为最优，而 $W^\pm Z$ 通道在更高质量下将不可观测。
• $W^\pm Z$ 通道可在仅44 fb$^{-1}$ 下探测到1.8 TeV 的 $\rho$ 共振态，但在无限亮度下仍无法探测4.0 TeV 的共振态。
• $W^+W^+$ 信号的主要背景为 $\bar{q}q \to WZ/W\gamma^*$，占背景总量的70%，可通过前向喷流标记降低。
• $W^+W^+$ 通道即使在对轻子识别和背景抑制持保守假设下依然可行，支持其作为‘无损失’发现通道的角色。
• 该分析确立了150 fb$^{-1}$ 为保守的‘无损失’亮度阈值，确保在所有考虑的模型中均可实现强WW散射的发现或排除。