[论文解读] $A_{FB}$ as a discovery tool for $Z^\prime$ bosons at the LHC

Elena Accomando, A. Belyaev+4 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Apr 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出将正向-反向不对称性（AFB）作为大型强子对撞机（LHC）上 $Z^\prime$ 玻色子的发现工具，证明当传统寻找信号峰的方法失效时，AFB 能够探测到窄宽度和宽宽度的 $Z^\prime$ 共振态。研究表明，AFB 在灵敏度方面与传统方法相当甚至更优，尤其在宽共振态中表现更佳，此时截面信号与本底混合，而 AFB 凭借其独特的线性形状和更低的系统误差，仍能有效识别信号。

ABSTRACT

The Forward-Backward Asymmetry (AFB) in $Z^\prime$ physics is commonly only perceived as the observable which possibly allows one to interpret a $Z^\prime$ signal by distinguishing different models of such (heavy) spin-1 bosons. In this article, we examine the potential of AFB in setting bounds on or even discovering a $Z^\prime$ at the Large Hadron Collider (LHC) and show that it might be a powerful tool for this purpose. We analyze two different scenarios: $Z^\prime$s with a narrow and wide width, respectively. We find that in both cases AFB can complement the cross section in accessing $Z^\prime$ signals.

研究动机与目标

• 探究 AFB 是否可作为 LHC 上 $Z^\prime$ 玻色子的首要发现工具，而不仅限于发现后的诊断手段。
• 解决在标准截面基线寻找信号峰方法失效的宽 $Z^\prime$ 共振态（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \gtrsim 50\%$）探测挑战，此类情况下信号与标准模型（SM）本底发生混叠。
• 评估在 $Z^\prime$、$Z$ 和 $\gamma$ 之间存在显著干涉效应、导致控制区域背景估计不可靠的情况下，AFB 的灵敏度表现。
• 比较 AFB 方法与传统基于截面的搜索在窄宽度与宽宽度 $Z^\prime$ 模型中的显著性水平。
• 证明 AFB 可在共振峰区域之外揭示信号，为新物理提供早期线索。

提出的方法

• 研究分析了在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下的 Drell-Yan 过程 $pp \to l^+l^-$，积分亮度为 $\mathcal{L} = 300\,\text{fb}^{-1}$，重点关注 $l = e,\mu$。
• AFB 定义为 $A_{FB}^* = \frac{\sigma(\eta_l > 0) - \sigma(\eta_l < 0)}{\sigma(\eta_l > 0) + \sigma(\eta_l < 0)}$，其中 $\eta_l$ 为轻子赝快度。
• 通过 $E_6$、GLR 和 GSM 框架中的模型特异性耦合，考虑了 $Z^\prime$、$Z$ 和 $\gamma$ 之间的有限宽度和干涉效应。
• 在分箱的不变质量分布中评估 AFB 的显著性，并与同一分箱内基于截面的显著性进行比较。
• 基准模型包括窄宽度（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \sim 0.5-12\%$）和宽宽度（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} = 80\%$）的 $Z^\prime$ 情况。
• 方法采用 WZPROD 的 NNLO QCD 计算和 CTEQ6.6 PDF，配合接受度截断条件（$p_T > 25$ GeV，$|y_l| < 2.5$）。

实验结果

研究问题

• RQ1 AFB 是否可作为 LHC 上 $Z^\prime$ 玻色子的首要发现工具，独立于传统的基于截面的寻找信号峰方法？
• RQ2 在探测窄宽度 $Z^\prime$ 共振态（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \sim 0.5-12\%$）时，AFB 的灵敏度与基于截面的显著性相比如何？
• RQ3 当截面信号与标准模型本底无法区分时，AFB 是否仍能探测到宽 $Z^\prime$ 共振态（$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} \gtrsim 50\%$）？
• RQ4 在 $Z^\prime$、$Z$ 和 $\gamma$ 之间存在显著干涉效应的场景下，当控制区域的背景估计被破坏时，AFB 是否仍保持鲁棒性和灵敏度？
• RQ5 AFB 是否能在共振峰区域之外的不变质量谱区域揭示信号，从而提供新物理的早期线索？

主要发现

• 对于窄宽度 $Z^\prime$ 共振态，基于 AFB 的搜索在显著性方面与传统的基于截面的寻找信号峰方法相当，尤其在共振峰区域表现优异。
• AFB 在共振峰之外区域仍表现出灵敏度，即使在截面信号平坦或被抑制的情况下，其在不变质量谱中仍能显示出可观测的特征。
• 对于宽 $Z^\prime$ 共振态（$M_{Z^\prime} = 1.5$ TeV，$\Gamma_{Z^\prime}/M_{Z^\prime} = 80\%$），AFB 在截面显著性低于 1$\sigma$ 的区域仍达到 2$\sigma$ 显著性，表明其灵敏度更优。
• 宽共振态的 AFB 线性形状具有独特性，且受控制区域干涉效应影响较小，因此比基于截面的计数实验更具鲁棒性。
• 在宽 $Z^\prime$ 情景中，由于 AFB 对角关联的特殊依赖关系，即使截面信号与本底融合，AFB 仍能探测到信号。
• 本研究证实，与截面测量相比，AFB 对系统误差的敏感性更低，因其为截面之比，因此在复杂干涉环境中更具可靠性。