[论文解读] Physics performances for Z' searches at 3 TeV and 1.5 TeV CLIC

Jean-Jacques Blaising, James D. Wells|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文评估了在 CLIC 对撞机以 $\sqrt{s} = 1.4$ TeV 和 3 TeV 运行时，最小反常自由 $Z^{\prime}$（AFZ$^\prime$）模型中 $Z^{\prime}$ 玻色子的发现潜力与耦合精度。通过 $e^{+}e^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 事件中的总截面、前后不对称性以及左右不对称性，表明即使在 $Z^{\prime}$ 质量高达 50 TeV 的情况下，CLIC 也能实现对 $Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$ 耦合的 2–20% 精度，而极化束流对于实现该精度至关重要。

ABSTRACT

Extra neutral gauge bosons (Z') are predicted in many extensions of the Standard Model (SM). In the minimal anomaly-free Z' model (AFZ'), the phenomenology is controlled by only three parameters beyond the SM ones, the Z' mass and two effective coupling constants g'_Y and g'_{BL}. We study the Z' 5-sigma discovery potential in e+e- collisions at 1.4 and 3 TeV CLIC. Assuming LHC discovers a Z' of 5 TeV mass, the expected accuracies on the Z'mu+mu- couplings are presented. We discuss also the requirements on detector performance and beam polarization.

研究动机与目标

• 评估在 $\sqrt{s} = 1.4$ TeV 和 3 TeV 运行的 CLIC 对撞机中，最小反常自由 $Z^{\prime}$（AFZ$^\prime$）模型下 $Z^{\prime}$ 玻色子的 $5\sigma$ 发现潜力。
• 评估若 LHC 在 5 TeV 发现 $Z^{\prime}$ 玻色子，CLIC 能够多精确地测定 $Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$ 耦合（$g^{\prime}_{Y}$, $g^{\prime}_{BL}$）。
• 研究束流极化与探测器性能在提升耦合测量精度方面的作用。
• 确定 CLIC 对质量远超对撞机质心系能量的 $Z^{\prime}$ 状态的探测灵敏度，包括 LHC 无法产生的那些 $Z^{\prime}$。

提出的方法

• 使用 Whizard 6.4 生成标准模型过程的事件，使用 Whizard 2.0 生成 AFZ$^\prime$ 模型过程的事件。
• 通过 GuineaPig 束流模拟和 CDR 加速器参数，纳入束流辐射和初态辐射效应。
• 采用三个关键可观测量：$e^{+}e^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 事件中的总截面（$\sigma_{\text{tot}}$）、前后不对称性（$A_{\text{FB}}$）和左右不对称性（$A_{\text{LR}}$）。
• 应用选择性截断以抑制标准模型和束流诱导背景，信号效率在 1.4 TeV 时为 15.1%，在 3 TeV 时为 5.9%。
• 实施 $+80\%$ 和 $-80\%$ 的电子束极化以获取 $A_{\text{LR}}$，而正电子束保持未极化。
• 将理论预测拟合至模拟数据，以在 $3\sigma$ 置信水平下提取 $Z^{\prime}$ 耦合及其不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CLIC 以 1.4 TeV 和 3 TeV 运行时，AFZ$^\prime$ 模型中 $Z^{\prime}$ 玻色子的 $5\sigma$ 发现潜力是多少？
• RQ2 若 LHC 在 5 TeV 发现 $Z^{\prime}$ 玻色子，CLIC 能够多精确地测定 $Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$ 耦合（$g^{\prime}_{Y}$, $g^{\prime}_{BL}$）？
• RQ3 束流极化对 $Z^{\prime}$ 耦合测量与发现潜力有何影响？
• RQ4 CLIC 能在多大程度上探测超出其质心系能量的 $Z^{\prime}$ 质量，特别是当 $Z^{\prime}$ 重到 LHC 无法产生时？
• RQ5 在 AFZ$^\prime$ 模型的参数空间中，$g^{\prime}_{Y}$ 和 $g^{\prime}_{BL}$ 的不确定性如何变化？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 1.4$ TeV 且积分亮度为 500 fb$^{-1}$ 的条件下，CLIC 可在大部分参数空间中实现对 $Z^{\prime}\mu^{+}\mu^{-}$ 耦合 2–20% 的精度。
• 当 $g^{\prime}_{Y} = 0.02$ 且 $g^{\prime}_{BL} = 0.2$ 时，$3\sigma$ 等高线在 ($g^{\prime}_{Y}$, $g^{\prime}_{BL}$) 平面中显示约 2% 的精度，前提是两个耦合均为正。
• 当 $g^{\prime}_{Y}$ 为负而 $g^{\prime}_{BL}$ 为正时（例如 $g^{\prime}_{Y} = -0.5$, $g^{\prime}_{BL} = 0.02$），耦合精度下降至约 20%。
• 极化束流对精确测量耦合至关重要，能显著提升对 $g^{\prime}_{Y}$ 和 $g^{\prime}_{BL}$ 的分辨能力，尽管对发现潜力的提升仅轻微。
• 得益于包含 $M_{Z^\prime}$ 依赖因子的约化耦合的敏感性，CLIC 可探测到质量高达 30 TeV（在 1.4 TeV 时）和 50 TeV（在 3 TeV 时）的 $Z^{\prime}$ 玻色子对标准模型的偏离。
• 信号选择效率在 1.4 TeV 时为 15.1%，在 3 TeV 时为 5.9%，通过运动学和拓扑截断有效抑制了背景。