[论文解读] Dissecting the Wjj Anomaly: Diagnostic Tests of a Leptophobic Z'

J.L. Hewett, T. G. Rizzo|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了轴向耦合的 $Z^{\backprime}$ 玻色子作为 CDF $Wjj$ 异常的起源，利用截面约束和二胶子数据，确定了上夸克与下夸克的允许耦合区域。尽管在 Tevatron 上的产生率较小，该研究预测了在 LHC 上可观测的 $W+Z^{\backprime}$ 和 $Z/\backslash\text{γ}+Z^{\backprime}$ 伴随产生过程，其运动学分布可作为 $Z^{\backprime}$ 耦合的关键诊断工具。

ABSTRACT

We examine the scenario where a leptophobic Z' boson accounts for the excess of events in the Wjj channel as observed by CDF. We assume generation independent couplings for the Z' and obtain allowed regions for the four hadronic couplings using the cross section range quoted by CDF as well as constraints from dijet production at UA2. These coupling regions translate into well-determined rates for the associated production of Z/γ+Z' at the Tevatron and LHC, as well as W+Z' at the LHC,that are directly correlated with the Wjj rate observed at the Tevatron. The Wjj rate at the LHC is large and this channel should be observed soon once the SM backgrounds are under control. The rates for Z/γ+Z' associated production are smaller, and these processes should not yet have been observed at the Tevatron given the expected SM backgrounds. In addition, we also show that valuable coupling information is obtainable from the distributions of other kinematic variables, e.g., M_{WZ'}, p_T^W, and \cos θ_W^*. Once detected, these associated production processes and the corresponding kinematic distributions examined here will provide further valuable information on the Z' boson couplings.

研究动机与目标

• 确定能够解释 CDF $Wjj$ 异常且满足现有约束条件的轴向耦合 $Z^{\backprime}$ 玻色子的可行耦合区域。
• 利用 CDF 截面数据和 UA2 二胶子限制，约束 $Z^{\backprime}$ 对左旋与右旋上夸克和下夸克的耦合。
• 预测在 Tevatron 和 LHC 上 $W+Z^{\backprime}$ 与 $Z/\gamma+Z^{\backprime}$ 伴随产生的可观测截面。
• 证明运动学分布（$M_{WZ^{\backprime}}$、$p_T^W$、$\cos\theta_W^*$、$\beta_{Z^{\prime}}$）可提供关于 $Z^{\backprime}$ 耦合的额外、模型无关的信息。
• 在标准模型背景水平和积分亮度条件下，评估 $Z^{\backprime}$ 信号在 LHC 和 Tevatron 上的可探测性。

提出的方法

• 利用 CDF 报告的 $Wjj$ 截面范围（4.3 fb⁻¹）和 UA2 的二胶子产生约束，限制 $Z^{\backprime}$ 的四种强子耦合：$u_L$、$u_R$、$d_L$、$d_R$。
• 假设生成无关耦合且具有轴向耦合性，以避免直接的 $Z^{\backprime}$ 双轻子搜寻以及 $Z-Z^{\backprime}$ 混合（$<10^{-3}$），从而保持精确电弱数据的一致性。
• 基于推导出的耦合区域，计算 Tevatron 和 LHC 上 $W+Z^{\backprime}$ 与 $Z/\gamma+Z^{\backprime}$ 产生过程的理论截面。
• 分析微分分布——$d\sigma/dM_{WZ^{\backprime}}$、$d\sigma/dz$（$z=\cos\theta^*$）、$p_T^W$、$y_W$、$\beta_{Z^{\prime}}$ ——以提取耦合信息，尤其关注左旋夸克耦合。
• 将预测截面与预期的标准模型背景进行比较，以评估在 Tevatron 和 LHC 上的可探测性。
• 评估在 LEPII 能量下的 $e^+e^- \to q\bar{q}Z^\prime$ 辐射过程，以排除该通道作为约束来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些是轴向耦合的 $Z^\prime$ 玻色子的左旋与右旋耦合的允许区域，能够重现 CDF $Wjj$ 异常？
• RQ2 UA2 二胶子数据约束和 D0 数据中未观测到 $Z^\prime$ 如何共同塑造可行的耦合空间？
• RQ3 在 $Z^\prime$ 假设下，Tevatron 和 LHC 上 $W+Z^\prime$ 与 $Z/\gamma+Z^{\prime}$ 伴随产生的预测截面是多少？
• RQ4 运动学分布如 $M_{WZ^\prime}$、$p_T^W$ 和 $\beta_{Z^\prime}$ 是否能提供关于 $u_L - d_L$ 耦合结构的独立信息？
• RQ5 在当前亮度和标准模型背景控制条件下，LHC 上的 $W+Z^\prime$ 通道是否有望被探测到？

主要发现

• CDF $Wjj$ 数据、UA2 二胶子约束以及 D0 中未观测到 $Z^\prime$ 的联合限制显著缩小了 $Z^\prime$ 的允许耦合区域，尤其对右旋耦合形成强限制。
• 在 LHC 上，$W+Z^\prime$ 伴随产生的截面足够大，一旦标准模型背景被控制，仅需几 fb⁻¹ 的积分亮度即可实现可观测。
• $Z/\gamma+Z^\prime$ 伴随产生的截面较小，在当前数据条件下，Tevatron 上由于标准模型背景难以探测，但在 LHC 上仍可测量。
• 运动学分布如 $d\sigma/dM_{WZ^\prime}$、$d\sigma/dz$、$p_T^W$ 和 $\beta_{Z^\prime}$ 对 $u_L - d_L$ 耦合差异高度敏感，可提供关于 $Z^\prime$ 耦合结构的关键信息。
• $W^\pm$ 的 $p_T$ 谱对 $u_L$ 和 $d_L$ 差异特别敏感，差异越大，谱越硬，从而可直接确定耦合结构。
• $Z^\prime$ 在质心系中的速度分布（$\beta$）对耦合敏感，当 $u_L \neq d_L$ 时，其峰值出现在更高值，可作为检验 $Z^\prime$ 自旋-1 性质的手段。