[论文解读] Disentangling between Z' and Z* with first LHC data

M. V. Chizhov|ArXiv.org|Jul 31, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出通过大型强子对撞机（LHC）中二轻子末态的角分布和运动学分布，区分手征性自旋-1规范玻色子（$Z^*$）与$Z'$规范玻色子。研究识别出柯林斯-索珀角分布中独特的“燕尾”形状，以及横动量谱中无雅可比峰为关键信号特征，其中$Z^*$的中心-边缘不对称性$A_{CE} = -0.69 \pm 0.10$，与$Z'$的$-0.11 \pm 0.06$显著不同，可在LHC早期数据中实现早期区分。

ABSTRACT

The resonance production of new chiral spin-1 excited bosons, Z*, and their detection through the Drell-Yan process in the first physical runs at the CERN LHC are considered. The new neutral chiral bosons can be observed as a Breit-Wigner resonance peaks in the invariant dilepton mass distribution in the same way as the well-known hypothetical gauge bosons, Z'. However, unique new signatures of the chiral bosons exist. These signatures could be very important for the interpretation of the first LHC data. First, there is no Jacobian peak in the lepton transverse momentum distribution at the kinematical endpoint of the new resonance. Second, the lepton angular distribution in the Collins-Soper frame for the high on-peak invariant masses of the lepton pairs has a peculiar "swallowtail" shape.

研究动机与目标

• 识别可在LHC早期数据中实验探测的信号，以区分手征性自旋-1玻色子（$Z^*$）与$Z'$规范玻色子。
• 解决因$Z^*$与$Z'$在不变轻子对质量分布中具有相似共振峰而导致误判的问题。
• 提供一种利用对运动学与角分布敏感于自旋与手征性结构的方法，实现早期区分。
• 证明二轻子在柯林斯-索珀参考系中的角分布可揭示$Z^*$玻色子特有的“燕尾”形状。
• 将中心-边缘不对称性$A_{CE}$量化为在5σ水平下区分$Z^*$与$Z'$的稳健可观测量。

提出的方法

• 分析在$\sqrt{s} = 10$ TeV下产生$Z^*$与$Z'$玻色子的Drell-Yan过程$q\bar{q} \to \ell^+\ell^-$。
• 使用有效拉格朗日量$\mathcal{L}_{\text{excited}} = \frac{g}{2\sqrt{2}M}(\bar{\ell}\sigma^{\mu\nu}\ell + \bar{d}\sigma^{\mu\nu}d)(\partial_\mu Z^*_\nu - \partial_\nu Z^*_\mu)$，通过张量流模型化手征性玻色子耦合。
• 计算作为轻子横动量、伪快度及柯林斯-索珀角$\cos\theta^*_{\text{CS}}$函数的微分截面。
• 应用定义为$\cos\theta^*_{\text{CS}}$分布中中心区与边缘区之差的中心-边缘不对称性$A_{CE}$。
• 通过部分子级$d\bar{d}$与$\bar{d}d$贡献比较$Z^*$与$Z'$的分布，以考虑部分子动量不对称性。
• 评估纵向提升对角分布的影响，表明在$\sqrt{s} = 10$ TeV下“燕尾”形凹陷（位于$\cos\theta^*_{\text{CS}} = 0$）仍存在，但在$14$ TeV下被填充。

实验结果

研究问题

• RQ1 柯林斯-索珀角分布中的“燕尾”形状是否可在LHC早期数据中用于区分手征性$Z^*$玻色子与$Z'$规范玻色子？
• RQ2 在轻子横动量分布中无雅可比峰是否可作为$Z^*$玻色子的独特信号？
• RQ3 轻子伪快度分布在多大程度上揭示$Z^*$玻色子在$\eta_\ell = 0$处的凹陷，这是由于部分子静止参考系中存在禁止发射平面？
• RQ4 $Z^*$与$Z'$玻色子的中心-边缘不对称性$A_{CE}$有何差异？该不对称性是否可用于在高显著性水平下排除$Z'$？
• RQ5 部分子动量不对称性（$x > \bar{x}$）在塑造$Z^*$与$Z'$玻色子的轻子伪快度分布中起何作用？”

主要发现

• 对于$Z^*$玻色子，柯林斯-索珀角分布表现出独特的“燕尾”形状，且在$\cos\theta^*_{\text{CS}} = 0$处有显著凹陷，而$Z'$分布中无此特征。
• $Z^*$的中心-边缘不对称性$A_{CE}$为$-0.69 \pm 0.10$，显著低于$Z'$的$-0.11 \pm 0.06$，差异达5σ水平。
• 轻子横动量分布中，$Z^*$玻色子在动力学端点处无雅可比峰，而$Z'$存在，这是由于缺少$1/\sqrt{1 - \beta^2}$奇点。
• $Z^*$玻色子的伪快度分布在$\eta_\ell = 0$处出现凹陷，这是由于部分子静止参考系中存在禁止发射平面，该现象在$\sqrt{s} = 10$ TeV下可见，但在$14$ TeV下因更高提升效应而被抑制。
• $Z^*$的角分布对部分子动量不对称性不敏感，尽管$\bar{x} < x$，但由于$d\bar{d}$与$\bar{d}d$贡献的相反偏移，整体形状保持对称。
• $A_{CE}$不对称性具有鲁棒性，可在LHC早期数据中以高显著性测量，提供一种清晰的信号以排除$Z'$并确认$Z^*$的观测。