[论文解读] Discovering and profiling Z' bosons using asymmetry observables in top quark pair production with the lepton-plus-jets final state at the LHC

Lucio Cerrito, D. A. Millar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用 5

一句话总结

本文提出在顶夸克对产生过程的轻子+喷注末态中，利用正向-反向不对称性与顶夸克极化不对称性，以在LHC上发现并表征Z′玻色子。通过模拟包含缺失横向动量、喷注-顶夸克组合歧义性以及非本征态顶夸克衰变的现实实验条件，结果表明：将这些不对称性与不变质量分布相结合，可在某些Z′模型中将信号显著性提升至最高31.4个标准差，显著优于仅使用标准截面分析的发现潜力。

ABSTRACT

The sensitivity of top quark pair production at the Large Hadron Collider to the presence and nature of an underlying Z' boson is studied, accounting for six-fermion decay with full tree-level Standard Model ttbar interference and all intermediate particles allowed off-shell. Focus is placed on the lepton-plus-jets final state, emulating experimental conditions, including kinematic requirements and top quark pair reconstruction in the presence of missing transverse energy and combinatorial ambiguity in jet-top assignment. Considering a resonance with mass of 4 TeV, and assuming 300 inverse fb of proton-proton collisions with a centre of mass energy of 13 TeV data, a combination of forward-backward and top polarisation asymmetries are shown to distinguish Z' embedded by different classes of Grand-Unified-Theory-inspired models. In combination with the differential cross section, they may be used to increase the significance of the signal when tested against the Standard Model, as shown using a likelihood-based statistical test.

研究动机与目标

• 通过轻子+喷注末态中的不对称性可观测量，研究LHC上顶夸克对产生过程对Z′玻色子的敏感性。
• 将先前针对本征态顶夸克衰变的分析扩展至包含非本征态衰变及现实重建条件（包括缺失横向动量与组合歧义性）的情形。
• 评估正向-反向不对称性与顶夸克极化不对称性是否可超越标准微分截面分析，提升Z′信号的显著性。
• 评估不对称性在区分不同源自大统一理论的Z′模型类别方面的诊断能力。
• 构建基于似然的统计框架，整合来自截面与不对称性可观测量的微分与积分显著性。

提出的方法

• 进行2→6树图阶计算，包含标准模型与Z′贡献之间的完整干涉效应，并允许所有中间粒子处于非本征态。
• 模拟包含真实动量截断、缺失横向动量及在组合歧义性下顶夸克对重建的轻子+喷注末态。
• 利用重建的顶夸克衰变角度与动量定义正向-反向与顶夸克极化不对称性，并通过逐事件斜率提取实现归一化。
• 应用基于似然的统计检验，将不变质量分布的显著性与不对称性可观测量的显著性在二维分析中结合。
• 使用模拟重建程序模拟实验条件，并在质量与角变量上推导出二维显著性。
• 测试了一系列源自GUT启发的U(1)′对称性的Z′模型（如GLR、GSM与E6），其耦合至第三代费米子。

实验结果

研究问题

• RQ1 正向-反向不对称性与顶夸克极化不对称性是否可使顶夸克对产生中Z′信号的显著性超越标准不变质量分布？
• RQ2 非本征态顶夸克衰变与现实重建条件如何影响在轻子+喷注末态中对Z′玻色子的敏感性？
• RQ3 不对称性可观测量在多大程度上可区分具有不同顶夸克耦合特性的Z′模型？
• RQ4 与一维分析相比，在二维统计检验中结合不对称性与截面信息是否可提升发现潜力？
• RQ5 哪些Z′模型表现出显著的不对称性？在现实实验条件下，其信号显著性如何比较？

主要发现

• 对于4 TeV的Z′玻色子，在13 TeV质子-质子对撞300 fb⁻¹条件下，不变质量与不对称性可观测量的结合使U(1)Q模型的信号显著性最高提升至31.4个标准差。
• GLR-R模型在结合mtt与cosθℓ后达到9.1σ的显著性，显著超过仅使用质量分布的8.1σ。
• GSM-T³L模型展现出最高的联合显著性（17.9σ），表明其对这类Z′模型具有强大的诊断能力。
• E6-χ、E6-ψ与E6-η等模型表现出可忽略的不对称性（显著性<1.5σ），表明仅靠不对称性无法将其与SM背景区分开。
• U(1)BL与U(1)Q模型未表现出显著的不对称性增强，证实其信号仅能通过不变质量分布探测。
• 本研究确认，不对称性可观测量为微分截面提供了互补信息，可实现更优的Z′模型区分与更高的发现灵敏度。