[论文解读] Di-jet resonances at future hadron colliders: A Snowmass whitepaper

G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 21

一句话总结

本Snowmass白皮书评估了未来质子-质子对撞机（14 TeV、33 TeV 和 100 TeV）在探测 $Z'_{B}$ 和胶子色子（coloron, $G'$）模型中的二喷胶共振态方面的发现潜力与排除灵敏度。基于使用MadGraph、Pythia和PGS的蒙特卡洛模拟，结果表明：在3 ab⁻¹亮度下，100 TeV对撞机可探测到高达11.5 TeV的 $Z'_{B}$ 共振态，以及高达16 TeV的胶子色子共振态，其耦合常数弱至 $g_B \sim 0.35$ 和 $\tan\theta \sim 0.045$，显著扩展了当前的探测范围。

ABSTRACT

I investigate the sensitivity of future hadron colliders to di-jet resonances arising from Z' or coloron models. The projected discovery potential and exclusion limits for these resonances is presented in the coupling vs. mass plane, which highlights both the increased mass reach from higher energy machines as well as the improved coupling sensivity from larger luminosity.

研究动机与目标

• 评估未来强子对撞机在 $Z'_{B}$ 和胶子色子模型产生的二喷胶共振态上的发现潜力与排除灵敏度。
• 量化更高质心系能量 ($\sqrt{s}$) 和更高亮度对质量与耦合常数灵敏度的提升效果。
• 在耦合常数-质量平面上建立统一框架，用于比较不同对撞机能量与亮度下的未来实验探测能力。
• 强调低多喷胶触发阈值在高能对撞机中对保持探测灵敏度的重要性。

提出的方法

• 使用MadGraph 5 v1.5.7与CTEQ6L1部分子分布函数生成信号与QCD背景事件。
• 采用Pythia v6.4.20进行部分子辐射与强子化模拟，随后使用PGS v4进行基础探测器模拟。
• 通过MLM方案匹配两喷胶与三喷胶样本以建模QCD背景，背景生成时按主喷胶的 $p_T$ 划分能动量区间。
• 使用FastJet v3.0.2结合反-$k_T$算法与 $R=0.5$ 进行事件聚类。
• 通过Crystall Ball拟合在二喷胶质量谱中识别信号峰，执行峰形搜索。
• 统计显著性按 $\sigma = N_S / \sqrt{N_S + N_B}$ 计算，其中 $5\sigma$ 为发现阈值，95% 置信水平用于排除限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\sqrt{s} = 14$、33 和 100 TeV 的未来强子对撞机中，$Z'_{B}$ 共振态在耦合常数-质量平面上的预期探测范围是什么？
• RQ2 当积分亮度从300 fb⁻¹提升至3 ab⁻¹时，对LHC及更远的二喷胶共振态探测灵敏度如何提升？
• RQ3 相较于当前LHC，更高质心系能量在多大程度上提升了胶子色子共振态的质量探测范围？
• RQ4 多喷胶触发阈值如何影响低质量区的探测灵敏度？降低阈值会产生何种影响？
• RQ5 在3 ab⁻¹积分亮度下，未来对撞机对 $Z'_{B}$ 与胶子色子模型的预期耦合常数灵敏度是多少？

主要发现

• 在100 TeV对撞机、3 ab⁻¹亮度下，$Z'_{B}$ 的探测质量范围可达11.5 TeV，排除范围可达13 TeV。
• 对于 $Z'_{B}$，在100 TeV、3 ab⁻¹下，探测的耦合常数灵敏度可达 $g_B \sim 0.35$，排除灵敏度可达 $g_B \sim 0.2$。
• 在100 TeV对撞机、3 ab⁻¹亮度下，胶子色子共振态的探测质量范围可达16 TeV，排除范围可达18 TeV。
• 14 TeV LHC在300 fb⁻¹亮度下，可探测到高达4.5 TeV的 $Z'_{B}$ 共振态，排除范围可达5.3 TeV。
• 对于胶子色子，14 TeV LHC在300 fb⁻¹下具有探测高达6.5 TeV共振态的能力，排除灵敏度可达7.5 TeV。
• 在100 TeV对撞机、3 ab⁻¹亮度下，探测灵敏度相比14 TeV LHC，质量探测范围提升约3–4倍，耦合常数灵敏度提升约2–3倍，适用于 $Z'_{B}$ 与胶子色子模型。