[论文解读] A New Strategy to Discover Heavy Colored Vectors at the Early LHC

Natascia Vignaroli|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出了一种针对大质量彩色矢量粒子——特别是大质量胶子 $G^*$ 和顶/底夸克激发态——的新颖搜索策略，利用早期LHC的 $G^* \to Wtb$ 衰变道。通过利用不变质量分布以及 $M_{\text{all}}$ 与 $M_{Wb}$ 和 $M_{Wt}$ 的散点图，该方法实现了清晰的信号-背景分离，使得在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 下，利用仅 188 pb$^{-1}$ 的亮度即可发现高达 2 TeV 的 $G^*$，并探测重费米子。

ABSTRACT

We perform a study of the LHC discovery reach on a heavy gluon (G*) and heavy fermions (top and bottom excitations), coming from a new composite sector. We find that heavy fermion resonances have a great impact on the composite gluon phenomenology. If the composite gluon is heavier than composite fermions, as flavor observables seem to suggest, the search in the channel where G* decays into a heavy fermion plus its Standard Model partner is very promising, with the possibility for both the G* and heavy fermions to be discovered at the early stage of the LHC. The channel offers also the possibility to extract important information on model parameters, such as the top degree of compositeness.

研究动机与目标

• 提升早期LHC中对大质量彩色矢量粒子，特别是 $G^*$ 和顶/底夸克激发态的发现能力。
• 解决以往搜索仅关注 $G^* \to t\bar{t}$ 衰变道的局限性，该衰变道受当前味物理数据的限制。
• 利用 $G^* \to \psi\chi$ 衰变道（其中 $\psi$ 为标准模型费米子，$\chi$ 为重费米子）以增强信号可见性。
• 通过信号组分分析提取顶夸克组成度的信息。
• 证明在早期LHC阶段，利用半轻 $Wtb$ 最终态可实现对 $G^*$ 和重费米子的发现可行性。

提出的方法

• 使用两站点复合希格斯模型，在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 和 $\sqrt{s} = 7$ TeV 下模拟 $G^*$ 和重费米子的产生。
• 聚焦于 $G^* \to Wtb$ 衰变道，其中 $t$ 为标准模型顶夸克，$b$ 为重底夸克伙伴（$B/\tilde{B}$），且 $W$ 粒子发生轻子衰变。
• 应用运动学截断：至少3个喷注（2个b-喷注），1个轻子满足 $p_T > 20$ GeV，$|\eta| < 2.5$，且喷注与轻子之间 $\Delta R > 0.4$。
• 通过缺失横向动量重建中微子的三维动量，选择使 $M_{l\nu b} \approx 174$ GeV 的解，以保证顶夸克衰变的一致性。
• 从 $Wb$ 对中重建 $W$ 玻色子和顶夸克，选择其不变质量最接近 174 GeV 的组合，并计算 $M_{\text{all}}$、$M_{Wb}$ 和 $M_{Wt}$ 的分布。
• 利用 $M_{\text{all}}$ 与 $M_{Wb}$、$M_{\text{all}}$ 与 $M_{Wt}$ 以及 $M_{Wb}$ 与 $M_{Wt}$ 的散点图，有效区分信号与背景，尤其在高能区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在早期LHC中，$G^* \to Wtb$ 衰变道是否能为大质量胶子和顶/底夸克激发态提供可行的发现通道？
• RQ2 与仅考虑 $G^* \to t\bar{t}$ 衰变相比，重费米子共振态的存在如何提升信号-背景分离能力？
• RQ3 在 $Wtb$ 最终态中，实现对 $G^*$ 和重费米子的 $5\sigma$ 发现，所需的积分亮度是多少？
• RQ4 来自 $G^* \to t\bar{t}$ 衰变的信号组分在多大程度上可提供关于顶夸克组成度的信息？
• RQ5 保守的 $p_T$ 截断如何影响 $Wtb$ 通道中的信号可见性与背景抑制？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 下，$G^* \to Wtb$ 衰变道可实现高达 2 TeV 的 $G^*$ 发现，仅需 188 pb$^{-1}$ 的积分亮度。
• 对于 $M_{G^*} = 1.5$ TeV，在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 下，0.30 fb$^{-1}$ 的亮度即可实现 $5\sigma$ 发现，表明早期LHC具备探测灵敏度。
• 在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 下，当 $M_{G^*} = 2$ TeV 时，信号对背景比超过 8.6，显示出极强的可区分性。
• 通过 $M_{\text{all}}$ 与 $M_{Wb}$ 及 $M_{Wt}$ 的散点图可有效分离信号与背景，背景主要集中于低不变质量区域。
• 来自 $G^* \to t\bar{t}$ 衰变的信号组分在 $M_{Wb}$ 分布中形成可测量的峰，从而可提取顶夸克组成度的信息。
• 对于 $M_{G^*} = 3$ TeV，在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 下，$5\sigma$ 发现需要 2.7 fb$^{-1}$ 的亮度；而对于 $M_{G^*} = 4$ TeV，则需 42 fb$^{-1}$，表明该方法在更高质量区域仍具可行性。