[論文レビュー] Z' Discovery Reach at Future Hadron Colliders: A Snowmass White Paper

Stephen Godfrey, Travis Martin|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、LHC、HL-LHC、HE-LHC、VHE-LHCを含む将来の高エネルギー陽子衝突実験において、二レプトン最終状態でのDrell-Yan生成を用いて$Z^\prime$ボソンの発見感度を評価している。100 TeVのVHE-LHCでは、$Z^\prime$質量を約30 TeVまで探査可能であり、LHCの約5 TeVの探査限界を著しく超える。特に高エネルギー領域では、二電子最終状態が最も効果的であることが示された。

ABSTRACT

Extra neutral gauge bosons are a feature of many models of physics beyond the standard model (BSM) and their discovery could possibly be the first evidence for new physics. In this Snowmass white paper we compare the discovery reach of the high energy hadron colliders considered by the Snowmass study for a broad range of BSM models. It is expected that the LHC should be able to see evidence for a Z' arising from a large variety of BSM models up to a mass of ~5 TeV when the LHC reaches its design energy and luminosity, and up to ~6 TeV with the high luminosity upgrade. Further into the future, the high energy LHC would substantially extend this reach to ~11 TeV, while the ~100 TeV VHE-LHC could see evidence for Z' 's up to ~30 TeV.

研究の動機と目的

• Snowmass研究で検討された将来の陽子衝突実験のシナリオにおいて、$Z^\prime$ボソンの発見可能性を評価すること。
• LHC、HL-LHC、HE-LHC、VHE-LHCといった異なる衝突実験設計の、さまざまなBSMモデルにおける$Z^\prime$共鳴状態への感受性を比較すること。
• 二レプトンおよび二ジェット最終状態に注目し、$Z^\prime$質量と光度の探査範囲を定量化すること。
• 特に$Z^\prime$カップリングの精密測定において、将来の$e^{+}e^{-}$衝突実験の感度と陽子衝突実験の探査限界を対比すること。
• 高スケールの新物理を探査するために必要なエネルギーおよび光度の閾値を特定し、将来の衝突実験計画を支援すること。

提案手法

• 陽子衝突における$Z^\prime$生成の主なメカニズムとしてDrell-Yan生成を採用し、二レプトン最終状態におけるインバリアント質量再構成による検出を実施。
• 検出器の受容域および効率を模擬するため、$|\eta| < 2.5$および$p_T > 20$ GeVの運動量カットを適用。
• 発見基準として、共鳴ピークの$\pm 3\Gamma_{Z^\prime}}$範囲内で、信号対背景比が5以上である5つの分離した二ミュオンイベントを定義。
• さまざまな$Z^\prime$カップリング（例：SSM、$\eta$、$\chi$、$\psi$）およびレプトファブ・スケーリングのシナリオを含め、モデル間での比較を実施。
• 特にクォークへ大きな分支比を示すモデルに対して、二ジェットおよび$b\bar{b}$最終状態の$Z^\prime$崩壊を評価。
• 陽子衝突実験の探査感度と$e^{+}e^{-}$衝突実験の感度を対比し、断面積および非対称性の精密測定を用いて$Z^\prime$カップリングを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCおよびそのアップグレード版が、二レプトン最終状態を用いて、どの程度の$Z^\prime$質量まで探査可能か？
• RQ2 将来の陽子衝突実験設計において、中心系エネルギーおよび光度が増加するに従い、$Z^\prime$ボソンの発見感度はどのようにスケーリングするか？
• RQ3 特に高スケールモデルを探査する観点から、$e^{+}e^{-}$衝突実験の感度は陽子衝突実験と比べてどの程度か？
• RQ4 二電子、二ジェット、$b\bar{b}$、$t\bar{t}$といった最終状態が、さまざまな$Z^\prime$カップリングパターンの発見感度をどのように拡張するか？
• RQ5 $e^{+}e^{-}$衝突実験における精密測定は、質量は似通っているがカップリングが異なる$Z^\prime$モデルを区別できるか？また、その情報は陽子衝突実験データとどのように補完されるか？

主な発見

• 設計エネルギーおよび光度で稼働するLHCは、広範なBSMモデルにおいて$Z^\prime$質量を約5 TeVまで探査可能である。
• 高光度LHC（HL-LHC）では、統計的データの増加およびバックグラウンド抑制の向上により、探査限界が約6 TeVまで拡張される。
• 中心系エネルギー約30 TeVの高エネルギーLHC（HE-LHC）では、$Z^\prime$質量を約11 TeVまで探査可能である。
• 100 TeVの非常に高エネルギーLHC（VHE-LHC）では、$Z^\prime$ボソンを約30 TeVまでの質量で発見可能である可能性を有する。
• 高エネルギー領域における$Z^\prime$探索では、高$p_T$領域でのエネルギー分解能がミュオンよりも優れているため、二電子最終状態が最も効果的であると予想される。
• 一方、500 GeVの$e^{+}e^{-}$衝突実験で500 fb$^{-1}$の光度を持つ場合、$Z^\prime$質量を約6 TeVまで探査可能であり、1 TeVの$e^{+}e^{-}$衝突実験で1 ab$^{-1}$の光度を持つ場合、約12 TeVまで到達可能で、HE-LHCの探査限界と一致する。