[论文解读] Prospects for a Heavy Vector-Like Charge 2/3 Quark T search at the LHC with \sqrt{s}=14 TeV and 33 TeV. "A Snowmass 2013 Whitepaper"

S. Bhattacharya, Jimin George+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文评估了在 √s = 14 TeV 和 33 TeV 的质子-质子碰撞下，大型强子对撞机（LHC）对一种重的矢量型拓扑夸克伙伴（T）的发现潜力。研究采用多轻子和轻子+喷注末态，结合顶夸克喷注标记（top-tagging）与 W 喷注标记（W-tagging）技术，以识别强子衰变的高能喷注，结果表明在 33 TeV 能量下，3 ab⁻¹ 亮度与 140 个堆叠事件条件下，预期在 95% 置信水平（CL）下可将排除极限提升至 3.4 TeV，显示出对重 T 夸克的显著探测灵敏度。

ABSTRACT

We present the prospects for the discovery or exclusion of heavy vector-like charge 2/3 quarks, T, in proton-proton collisions at two center-of-mass energies, 14 and 33 TeV at the LHC. In this note, the pair production of T quark and its antiparticle, with decays to W boson and a b quark (Wb), a top quark and the Higgs boson (tH), and a top quark and Z boson (tZ) are investigated. Higgs boson decays to $b\bar b$ and $W^+W^-$ final states are selected for this study.

研究动机与目标

• 评估在中心系能量为 14 TeV 和 33 TeV 的 LHC 上，对一种重的矢量型电荷 +2/3 夸克（T）的发现可达性。
• 研究 T 夸克对产生并衰变为 Wb、tH 和 tZ 末态的情况，其中 Higgs 粒子衰变为 bb̄ 或 W⁺W⁻。
• 开发并应用一种多通道分析策略，结合单轻子+喷注与多轻子末态，以提升探测灵敏度。
• 评估堆叠事件与亮度对灵敏度的影响，特别是在更高能量的 33 TeV 运行条件下。
• 提供在 95% 置信水平、5σ 和 3σ 显著性水平下的基准质量排除与发现极限。

提出的方法

• 使用 MadGraph 生成 T 夸克对产生及其衰变为 Wb、tH 和 tZ 模式的信号过程，其中 Higgs 粒子衰变为 bb̄ 或 W⁺W⁻。
• 使用 MadGraph 和 Pythia6 模拟标准模型（SM）过程的背景，包括 t̄t、V+jets、Drell-Yan、二玻色子过程以及顶夸克相关过程。
• 利用 Delphes 和 Snowmass 快速模拟进行快速探测器模拟，以建模探测器效应与重建效率。
• 基于轻子识别（pT > 30 GeV）、MET > 20 GeV 以及喷注多重性（pT 阈值分别为 200、90、50 GeV）进行事件选择。
• 应用顶夸克喷注标记与 W 喷注标记技术，利用 Cambridge-Aachen 聚类算法（R = 0.8）识别高能顶夸克与 W/Z 的衰变。
• 根据 b 喷注多重性（0、1、2、≥3）与轻子味（e、μ）对事件进行分类，以增强信号与背景的分离能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 14 TeV 和 33 TeV 的 LHC 运行中，分别在 300 fb⁻¹ 和 3 ab⁻¹ 亮度条件下，对重矢量型 T 夸克的预期发现可达性如何？
• RQ2 堆叠事件（0、50、140）如何影响不同末态中 T 夸克对产生探测的灵敏度？
• RQ3 单轻子+喷注与多轻子末态在 T 夸克发现中的相对灵敏度如何？
• RQ4 不同衰变模式（Wb、tH、tZ）对整体发现潜力的贡献如何？
• RQ5 在两种中心系能量下，T 夸克质量的预期 95% 置信水平排除极限与 5σ 发现阈值分别是多少？

主要发现

• 在 √s = 14 TeV、3 ab⁻¹ 亮度与 140 个堆叠事件条件下，联合分析在 95% 置信水平下对 T 夸克质量的排除极限为 1.78 TeV。
• 在 √s = 14 TeV、3 ab⁻¹ 亮度与 140 个堆叠事件条件下，联合单轻子+喷注与多轻子通道的 5σ 发现灵敏度可达 1.525 TeV。
• 在 √s = 33 TeV、3 ab⁻¹ 亮度与 140 个堆叠事件条件下，联合分析对 T 夸克质量的 5σ 发现灵敏度可达 2.6 TeV。
• 在 33 TeV 条件下，单轻子+喷注通道提供最强的灵敏度，其 5σ 发现可达性为 2.42 TeV。
• 在 33 TeV 条件下，3 ab⁻¹ 亮度与 140 个堆叠事件条件下，多轻子通道的 5σ 发现可达性为 2.25 TeV。
• 在联合分析中，√s = 33 TeV、3 ab⁻¹ 亮度与 140 个堆叠事件条件下，T 夸克质量的预期 95% 置信水平极限可达 3.4 TeV。