[論文レビュー] Update of Discovery Limits for Extra Neutral Gauge Bosons at Hadron Colliders

Stephen Godfrey|ArXiv.org|Jan 11, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、LHCおよび200 TeVまでの高エネルギー加速器を含むハドロン衝突機における、余剰な中性ゲージボソン（Z′）の発見限界を更新している。Drell-Yan過程によるレプトン対生成とQCD/QEDの放射修正を組み合わせることで、100 fb⁻¹から1 ab⁻¹の光度を持つpp衝突機では、通常0.25–0.30×√sの発見限界が得られ、陽子-陽子衝突機のTevatronは、バリオンクォークの光度が強化されているため約1 TeVに達する。

ABSTRACT

We study and compare the discovery potential for heavy neutral gauge bosons (Z') at the various hadron colliders under discussion at Snowmass 2001 which range in sqrt{s} from 14 TeV for the LHC to 200 TeV for a variant of the VLHC. Typical search limits for pp colliders are ~0.25-0.30 times sqrt{s} assuming 100 fb^{-1} to 1 ab^{-1} of integrated luminosity with some variation due to differences of fermion couplings in the different models. Discovery limits at the Tevatron are ~1 TeV for 15 fb^{-1}, approximately 30--50% higher than this rough guideline, due to the higher q\bar{q} luminosities in the p\bar{p} beams.

研究の動機と目的

• 将来のハドロン衝突機（LHCおよび200 TeV未満の予定された機器を含む）における余剰な中性ゲージボソン（Z′）の発見可能性を評価すること。
• E6、左右対称、未統一、Kaluza-Kleinモデルなどの、Z′ボソンの複数の理論的モデル間での発見限界を比較すること。
• フェルミオン結合、パートン分布関数、および放射修正がZ′信号感度に与える影響を評価すること。
• 背景が最小限に抑えられたクリアなDrell-Yan信号に基づく、モデルに依存しない発見限界の堅牢な推定を提供すること。

提案手法

• 主な発見チャネルとして、dilepton生成（pp → Z′ → l⁺l⁻）を用い、効果的場理論とパートン分布関数を用いて断面積を計算する。
• Z′の幅に対する2ループQCDおよび1ループQED放射修正を適用し、木レベル推定値よりも精度を高める。
• EHLQパートン分布関数（セット1）を用い、生産における高次のQCD効果を補正するK要因を含む。
• 断面積を、dσ/dy ∝ (g′/g_Z)⁴ × (C_L² + C_R²) × G_q⁺(x_A, x_B, Q²) の式で計算する。ここで、G_q⁺はクォークおよび反クォーク分布の組み合わせである。
• 発見感度をe⁺e⁻およびμ⁺μ⁻最終状態で10イベントと設定し、6イベントおよび光度を10倍低くした場合の変動も検証する。
• 近似の妥当性を検出器シミュレーションおよび先行実験的限界と照合し、Tevatronデータと整合していることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVから200 TeVの中心系エネルギーを持つハドロン衝突機におけるZ′ボソンの期待発見限界は何か？
• RQ2 E6、左右対称、UUM、KKなどの異なるゲージ群モデル（例）がZ′発見限界に与える影響は何か？
• RQ3 QCDおよびQEDの放射修正が、予測されたZ′生産断面積および発見感度にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 バリオンクォークの光度が強化されていることから、Tevatronのp̄p衝突モードはpp衝突機と比較してZ′発見限界においてどのように異なるか？
• RQ5 特に、奇妙な崩壊モードが除外された場合に、Z′の分岐比および崩壊幅に関する仮定が発見限界にどの程度依存するか？

主な発見

• pp衝突機の典型的な発見限界は、100 fb⁻¹から1 ab⁻¹の統合光度を仮定し、奇妙な崩壊モードがない場合に0.25–0.30×√sである。
• Tevatronは15 fb⁻¹の光度で約1 TeVの発見限界に達し、バリオンクォーク寄与が強化されているため、一般の0.25–0.30×√sの指針よりも約30–50%高い。
• 必要な信号の有意水準を10から6に低下させると、発見限界が約10%向上する。これは統計的閾値への感受性を示している。
• 光度を10分の1に低下させると、発見限界は約3倍低下する。これは統合光度に強く依存することを強調している。
• 標準フェルミオンの崩壊のみを考慮する限り、特定のZ′モデルに依存しない発見限界が得られ、理論的枠組み全体にわたって頑健であることが示された。
• Z′幅に対する2ループQCDおよび1ループQED修正の組み込みにより、断面積予測および限界の精度が著しく向上した。