[论文解读] Model-independent limits for anomalous triple gauge bosons $W^+W^-γ$ coupling at the CLIC

A. A. Billur, M. Köksal+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文通过 $\gamma\gamma$、$\gamma\gamma^*$ 和 $\gamma^{*}\gamma^{*}$ 碰撞过程，研究了紧凑线性对撞机（CLIC）对异常 $W^+W^-γ$ 耦合的敏感性，涉及 $\gamma\gamma \to W^+W^-$、$e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$ 和 $e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$ 反应。在中心系能量为 0.38、1.5 和 3 TeV，亮度分别为 1、2.5 和 5 ab$^{-1}$ 的条件下，CLIC 在 $\Delta\kappa_\gamma$ 和 $\lambda_\gamma$ 上实现了 $10^{-5}$ 至 $10^{-4}$ 水平的模型无关极限，相比 LHC 和以往对撞机，精度高出数个数量级。

ABSTRACT

We investigate the potential of the Compact Linear Collider (CLIC) to probe the anomalous $W^+W^-γ$ coupling in $γγ$, $γγ^*$ and $γ^*γ^*$ collisions through the processes $γγ ightarrow W^+ W^-$, $e^+ γ ightarrow e^+ γ^{*} γ ightarrow e^+ W^- W^+$ and $e^+ e^- ightarrow e^+ γ^{*} γ^{*} e^- ightarrow e^+ W^- W^+ e^-$. We perform leptonic, semi-leptonic and hadronic decays channels for $W^+W^-$ production in the final state. Taking ${\cal L}=1\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=0.380\hspace{0.8mm}{ m TeV}$, ${\cal L}=2.5\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=1.5\hspace{0.8mm}{ m TeV}$ and ${\cal L}=5\hspace{0.8mm}{ m ab^{-1}}@ \sqrt{s}=3\hspace{0.8mm}{ m TeV}$, based on future CLIC data, the limits for $Δκ_γ$ and $λ_γ$ might reach up to ${\cal O}(10^{-5}-10^{-4})$ level in the most ideal with 5\hspace{0.8mm}${ m ab^{-1}}$ set data, which shows a potential advantage compared to those from LHC, Tevatron and LEP data. Thus, our results represent that the processes $γγ ightarrow W^+ W^-$, $e^+ γ ightarrow e^+ γ^{*} γ ightarrow e^+ W^- W^+$ and $e^+ e^- ightarrow e^+ γ^{*} γ^{*} e^- ightarrow e^+ W^- W^+ e^-$ at the CLIC are a very good prospect for probing the anomalous $W^+W^-γ$ couplings.

研究动机与目标

• 在模型无关框架下，评估紧凑线性对撞机（CLIC）对异常三玻色子耦合（aTGC）$W^+W^-γ$ 的敏感性。
• 评估 CLIC 中 $\gamma\gamma$、$\gamma\gamma^*$ 和 $\gamma^{*}\gamma^{*}$ 碰撞模式在探测 $W^+W^-$ 对产生方面的潜力，相关过程包括 $\gamma\gamma \to W^+W^-$、$e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$ 和 $e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$。
• 将 CLIC 在三个能量阶段（0.38、1.5 和 3 TeV）的精度范围与 LHC、Tevatron 和 LEP 的现有实验极限进行比较。
• 量化不同 $W^+W^-$ 衰变道——轻子型、半轻子型和强子型——对 CLIC 中 $\Delta\kappa_\gamma$ 和 $\lambda_\gamma$ 敏感性的贡献。

提出的方法

• 采用维度六的规范不变算符，利用有效场论（EFT）方法，通过 $\Delta\kappa_\gamma$ 和 $\lambda_\gamma$ 参数化异常 $W^+W^-γ$ 耦合。
• 在 CLIC 上对 $\gamma\gamma$、$\gamma\gamma^*$ 和 $\gamma^{*}\gamma^{*}$ 过程进行蒙特卡罗模拟，包含完整的事件重建和探测器效应。
• 分析 $W^+W^-$ 在轻子型、半轻子型和强子型衰变模式下的产生，以优化对异常耦合的敏感性。
• 系统性不确定度扫描（$\delta_{\text{sys}} = 0, 3, 5\%$），以评估在真实实验条件下极限的鲁棒性。
• 比较不同亮度和能量配置下信号显著性与 95% 置信水平的预期极限。
• 在 $\gamma\gamma \to W^+W^-$ 过程中使用 $t$-和 $u$-通道图，以将 $W^+W^-γ$ 顶点贡献与 $W^+W^-Z$ 耦合区分开来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同能量和亮度阶段下，CLIC 通过 $\gamma\gamma$、$\gamma\gamma^*$ 和 $\gamma^{*}\gamma^{*}$ 碰撞对异常 $W^+W^-γ$ 耦合的敏感性如何？
• RQ2 CLIC 对 $\Delta\kappa_\gamma$ 和 $\lambda_\gamma$ 的极限与 LHC、Tevatron 和 LEP 实验的结果相比如何？
• RQ3 在 CLIC 中，哪种 $W^+W^-$ 衰变道——轻子型、半轻子型或强子型——对异常耦合的敏感性最高？
• RQ4 系统性不确定度为 0%、3% 和 5% 时，对 CLIC 中 $\Delta\kappa_\gamma$ 和 $\lambda_\gamma$ 极限的精度有何影响？
• RQ5 CLIC 能否实现对 $\Delta\kappa_\gamma$ 和 $\lambda_\gamma$ 的精度，使其超过当前实验界限三个数量级以上？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 3$ TeV 且 $\mathcal{L} = 5$ ab$^{-1}$ 条件下，CLIC 通过 $\gamma\gamma \to W^+W^-$ 在强子衰变道中实现了 95% 置信水平下 $\Delta\kappa_\gamma = [-7, 7] \times 10^{-5}$ 的极限。
• 对于 $e^+\gamma \to e^+\gamma^*\gamma \to e^+W^-W^+$ 过程，CLIC 实现了 95% 置信水平下 $\lambda_\gamma = [-0.13, 3.40] \times 10^{-3}$ 的极限，显示出对 $\lambda_\gamma$ 的高敏感性。
• $e^+e^- \to e^+\gamma^{*}\gamma^{*}e^- \to e^+W^-W^+e^-$ 模式给出了 95% 置信水平下 $\Delta\kappa_\gamma = [-4.8, 4.9] \times 10^{-4}$ 的极限，表明对 $\Delta\kappa_\gamma$ 具有强敏感性。
• CLIC 的高能阶段（1.5 和 3 TeV）对于精密测量至关重要，在 $\lambda_\gamma$ 和 $\Delta\kappa_\gamma$ 的敏感性方面显著优于低能对撞机。
• 系统性不确定度最高达 5% 时影响适中，但 CLIC 仍能保持对 $\Delta\kappa_\gamma$ 的亚 $10^{-4}$ 精度和对 $\lambda_\gamma$ 的 $10^{-3}$ 精度，证实其鲁棒性。
• CLIC 对 $\Delta\kappa_\gamma$ 和 $\lambda_\gamma$ 的极限在量级上超过 ATLAS、CMS、CDF、D0 和 LEP 的结果 $\mathcal{O}(10^{-3} - 10^{-2})$，确立了其在异常耦合精密探测方面的优势。