[论文解读] Dilepton + jet signature of Split-UED at the LHC

Swarup Kumar Majee, Seong Chan Park|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 54被引用 3

一句话总结

本文提出在LHC上通过二轻子+喷注（$\ell^+\ell^-j$）末态作为探测分裂通用额外维度（split-UED）模型中新物理的有力手段。通过采用高$ p_T^{\text{jet}} $截断与不变质量约束，能够有效将$Z_2$规范玻色子直接衰变为$\ell^+\ell^-$的信号与标准模型（SM）背景分离，从而在$\sim100~\text{fb}^{-1}$亮度下实现数TeV量级的探测能力。

ABSTRACT

We study the signature of dilepton and a hard jet ($\ell^+\ell^-j$) via heavy new gauge boson production in split universal extra dimension scenario where the Kaluza-Klein parity is conserved but the Kaluza-Klein number is not. A hard cut to the jet energy effectively removes virtually all possible backgrounds and provides a handle to search of new physics involving new neutral heavy states as the Kaluza-Klein $Z$ boson. The signature can be more generically used in search of other new states such as graviton and radion in warped extra dimension models.

研究动机与目标

• 在LHC上为split-UED模型中的新物理寻找一个清晰且显著的末态信号。
• 解决在高能对撞机搜索中区分重规范玻色子信号与主导SM背景的挑战。
• 证明在高喷注横动量条件下，$\ell^+\ell^-j$末态可通过缺乏缺失能量与高能轻子而有效抑制SM背景。
• 将此末态的适用性扩展至其他具有重中性态的模型，例如包含引力子或径子的翘曲额外维度模型。
• 为未来在split-UED中对$Z_2$规范玻色子产生的详细探测器级分析提供部分子层级的框架。

提出的方法

• 在部分子层级分析$pp \to j\ell^+\ell^-$过程，重点关注split-UED中弱规范玻色子的第二级Kaluza-Klein激发态（$\gamma_2$）的产生。
• 应用高横动量截断（$p_T^{\text{jet}} > 200~\text{GeV}$）以抑制以$Z$玻色子和顶夸克贡献为主的SM背景。
• 将二轻子不变质量限制为大于90%的$\gamma_2$质量，以增强信号纯度。
• 施加额外的运动学截断：轻子的$|\eta| < 2.5$，以及轻子与喷注之间的$\Delta R > 0.7$，以确保其隔离性。
• 使用MadGraph估算SM背景，主要贡献来自$t\bar{t}$、$b\bar{b}$、$t\bar{b}$、$b\bar{t}$、$Z\gamma^*$和$ZZ$过程。
• 采用95%置信水平标准$\sigma = \sqrt{S/(S+B)}$评估信号显著性，以确定实现发现所需的亮度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\mathbb{Z}_2$对称性守恒但KK数不守恒的split-UED模型中，$\ell^+\ell^-j$末态是否可作为新物理的清晰信号？
• RQ2 在该末态中，高$ p_T^{\text{jet}} $与二轻子不变质量截断在多大程度上可抑制SM背景？
• RQ3 在此末态中，$\gamma_2$规范玻色子的质量与亮度可实现的探测能力如何？
• RQ4 体质量参数$\mu$如何影响该末态中的信号截面与可探测性？
• RQ5 该末态是否可推广至其他具有重中性态的模型，例如翘曲额外维度模型中的引力子或径子？

主要发现

• 通过高喷注$ p_T $与不变质量截断，$\ell^+\ell^-j$末态能有效抑制SM背景，包括$t\bar{t}$、$Z$-喷注与$ZZ$过程，原因在于缺乏缺失能量与高能终态粒子。
• 随着体质量参数$\mu$增大，信号事件数增加，因为更大的$\mu$增强了耦合强度；而随着$R^{-1}$增大（即$\gamma_2$质量更重），信号事件数减少。
• 在$\sim100~\text{fb}^{-1}$的积分亮度下，模型可探测到数TeV量级的$\gamma_2$质量，具体取决于体质量参数。
• 随着$\mu$增大，实现95%置信水平发现所需的亮度降低，表明耦合强度越大，探测灵敏度越高。
• 分析表明，$\gamma_2$通过直接衰变为$\ell^+\ell^-$的产生过程在split-UED中是可行且独特的信号，与产生缺失能量的R-奇偶性守恒模型不同。
• 该末态具有通用性，适用于其他具有重中性态的模型，如翘曲额外维度模型中的引力子或径子，其类似末态源于共振衰变。