[论文解读] Heavy chiral bosons search at hadron colliders

M. V. Chizhov|ArXiv.org|May 27, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出在费米实验室的Tevatron和CERN的LHC上搜索重的自旋-1手征玻色子的搜索策略，利用CalcHEP计算微分截面以识别共振产生和独特的衰变信号。研究在Tevatron数据中发现了一个潜在的500 GeV信号，并预测若该信号得到确认，LHC将能够发现所有质量高达1 TeV的手征玻色子。

ABSTRACT

The production of new spin-1 chiral bosons at the hadron colliders, the Fermilab Tevatron and the CERN LHC, is considered. The masses of the chiral bosons can be determined on the basis of experimental data of precise low-energy experiments, which already indicate indirectly their existence. They can explain, for example, the serious 4.5 sigma discrepancy between the measured and the predicted two pion branching ratio of the tau decay and the sign of the 3.3 sigma deviation of the muon (g-2) theoretical prediction from the experimental value. Quantitative evaluations of the various differential cross-sections of the chiral boson production at hadron colliders are made using the CalcHEP package. It is noteworthy that the Tevatron data already hint the existence of the lightest charged chiral boson with a mass around 500 GeV. New Tevatron data and the LHC results will definitely confirm or reject this indication. In the positive case the LHC would be able to discover all predicted charged and neutral chiral bosons spanning in mass up to 1 TeV.

研究动机与目标

• 识别在强子对撞机上重自旋-1手征玻色子的实验信号，其动机源于低能精确测量中的异常现象。
• 通过新的手征规范玻色子解释τ衰变中两π分支比的4.5σ偏差以及μ子(g-2)的3.3σ偏离。
• 提出一个手征玻色子的唯象学模型，以解释现有异常现象，并指导在Tevatron和LHC上的探测。
• 通过修改PYTHIA事件生成器，正确模拟手征玻色子的产生与衰变，引入校正后的角分布。
• 基于微分截面，预测LHC对手征玻色子的发现潜力，特别是在二轻子和轻子+喷注末态中。

提出的方法

• 使用CalcHEP软件包计算Tevatron和LHC能量下pp碰撞中手征玻色子产生的微分截面。
• 应用手征玻色子的模型无关性质，包括对夸克和轻子的非统一矢量和轴向矢量耦合。
• 修改PYTHIA事件生成器以正确模拟手征玻色子的衰变，将标准规范玻色子的角分布（WT = 1 + ASYM·cosθ + cos²θ）替换为手征玻色子的WT = 4cos²θ。
• 在PYTHIA中引入参数集（PARU(131)-(134)），以建模具有特定耦合的手征玻色子，例如U玻色子的耦合为(3/2, -1/2, 1/2, -1/2)。
• 分析衰变产物（轻子、喷注）的横动量和不变质量分布，以区分手征玻色子与SM的W/Z玻色子。
• 将规范玻色子在pT ≈ M/2处的Jacobian峰与手征玻色子预期的较低pT区域（远低于M/2）的宽峰进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的τ衰变中两π分支比的4.5σ偏差以及μ子(g-2)的3.3σ异常是否可由重手征玻色子的存在来解释？
• RQ2 在强子对撞机上，手征玻色子产生具有哪些独特的动量学信号，特别是横动量和角分布特征？
• RQ3 鉴于手征玻色子与标准规范玻色子的角分布不同，如何修改PYTHIA事件生成器以正确模拟手征玻色子的衰变？
• RQ4 LHC对手征玻色子的预期发现能力如何，特别是在Drell–Yan二轻子末态中？
• RQ5 Tevatron数据是否已显示出质量约为500 GeV的轻带电手征玻色子的证据？

主要发现

• Tevatron数据已暗示存在一个质量约为500 GeV的轻带电手征玻色子，依据是轻子横动量分布中出现的肩峰。
• 最轻的带电手征玻色子（U±）共振产生的微分截面在横动量约200 GeV处达到约0.03 pb/GeV。
• 在峰值亮度下，对于轻U±玻色子，每小时数据采集中在10 GeV的横动量区间内预计可产生约10个事件。
• 分布中第二个肩峰（对应更重的带电手征玻色子）由于统计量较低，需超过一天的数据采集才能观测到。
• 若Tevatron数据中500 GeV信号得到确认，LHC将能够发现所有预测的带电和中性手征玻色子，质量上限达1 TeV。
• 在Drell–Yan末态中的关键区别特征是：手征玻色子在pT ≈ M/2处无Jacobian峰，而是表现出显著低于M/2的pT区域的宽峰，可作为其识别依据。