[论文解读] Introduction to the MCnet Moses project and Heavy gauge bosons search at the LHC

G. Bella, E. Etzion+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 8

一句话总结

该论文提出了Moses C++框架，用于在额外维度模型中模拟完整事件的物理过程，特别测试在LHC上区分Kaluza-Klein (KK) $γ^*/Z^*$规范玻色子与$Z^\prime$玻色子的能力。通过将Pythia8与Moses接口，研究表明，在100 fb$^{-1}$亮度下，对不变质量与角分布应用Kolmogorov-Smirnov检验，可在完整探测器模拟之前区分自旋-1的KK模型与$Z^\prime$模型。

ABSTRACT

This is a technical document that provides supporting information and details of the publicly available code used for the preparation of the analysis for preprint "{\it A search for heavy Kaluza-Klein electroweak gauge bosons at the LHC}" (submitted to JHEP). The {\sc Moses} C++ framework is a project written for probing and developing new models for High Energy Physics processes which allows complete events to be simulated by interface with the standard simulation program Pythia8. This paper demonstrates the usage of {\sc Moses} in a study of the nature of Kaluza-Klein (KK) excitations in a specific model where the SU(2) imes U(1) gauge fields can exist in a single Extra Dimension (ED) compactified on a $S^1/Z_2$ orbifold, while the matter fermions and SU(3) gauge fields are localized in the 3d-brane. Using this framework, the events have been fully simulated at hadron level including initial and final state radiation. The study of particle decays was used to develop a method to distinguish between this Kaluza-Klein model and processes with similar final states. As a consequence, the possibility of observing and identifying a signal of the first excited KK state of the $γ/Z^0$ bosons in the LHC is also discussed.

研究动机与目标

• 开发一个能够为涉及额外维度的新物理模型生成完整强子级事件的模拟框架。
• 测试具有相似末态的Kaluza-Klein $\gamma^*/Z^*$共振态与$Z^\prime$玻色子之间的可区分性。
• 在应用到新物理（BSM）情景之前，使用标准模型（SM）过程验证该方法。
• 评估动量分布——尤其是$\sqrt{\hat{s}}$与$\cos\theta^\prime$——在LHC上识别自旋-1共振态的敏感性。
• 证明100 fb⁻¹亮度足以通过无样本Kolmogorov检验区分KK与$Z^\prime$模型。

提出的方法

• Moses C++框架设计用于与Pythia8接口，支持包括初态与末态辐射在内的完整事件生成，适用于BSM过程。
• 该模型假设一个在$S^1/Z_2$上紧化的5d $SU(2)\times U(1)$规范理论，物质场与$SU(3)$场局域在3-brane上。
• 模拟包括在$\sqrt{s} = 14$ TeV下的完整$pp \to \gamma^*/Z^* \to \ell^+\ell^-$过程，初态辐射（ISR）效应通过专用的运动学重建方法处理。
• 提取角分布与正向-反向不对称性$A_{fb}^{CS}$，以探测共振态的自旋-1特性。
• 对无样本的$\sqrt{\hat{s}}$与$\cos\theta^\prime$分布应用Kolmogorov-Smirnov检验，将伪数据与蒙特卡罗参考样本进行比较。
• 在将该方法应用于KK与$Z^\prime$模型之前，先在SM $\gamma/Z^0$过程中验证其有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Moses框架能否准确模拟5D额外维度模型中Kaluza-Klein规范玻色子的完整事件过程？
• RQ2 在LHC上，二轻子末态的不变质量与角分布能否区分KK $\gamma^*/Z^*$共振态与$Z^\prime$玻色子？
• RQ3 在何种积分亮度下，Kolmogorov-Smirnov检验可可靠地区分KK与$Z^\prime$模型？
• RQ4 ISR效应如何影响这些模型中的动量重建与区分能力？
• RQ5 在低亮度下，正向-反向不对称性$A_{fb}^{CS}$能否提供额外的区分能力？

主要发现

• 对$\sqrt{\hat{s}}$分布应用Kolmogorov-Smirnov检验，显示在100 fb⁻¹与500 fb⁻¹亮度下，KK模型与$Z^\prime_{\rm{SM}}$模型之间存在明显区分。
• 在100 fb⁻¹时，$Z^\prime_{\rm{SM}}$与伪数据之间相容性的$p$-值仅为~0.016，表明与KK模型存在强统计差异。
• 通过最大似然拟合与Kolmogorov检验对$\cos\theta^\prime$分布的分析，提供了强有力的佐证，尤其在500 fb⁻¹时更为显著。
• 在100 fb⁻¹时，正向-反向不对称性$A_{fb}^{CS}$过于粗糙，难以实现高精度区分，但随着亮度提高而改善。
• 即使存在ISR效应，该方法依然有效，因为分析策略通过仔细的动量重建考虑了这些效应。
• 在100 fb⁻¹亮度下，若未来步骤中考虑完整事件模拟与探测器效应，约4 TeV处的共振态仍可被识别。