[论文解读] Testing the Technicolor Interpretation of CDF's Dijet Excess at the LHC

E. Eichten, Kenneth Lane+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用 5

一句话总结

本文通过提出针对 technirho 共振态 $\rho_T \to W\pi_T$ 及相关 $Z\pi_T$、$WZ$ 衰变道的专用 LHC 搜索策略，检验 CDF 150 GeV 二喷射过剩的低尺度规范色（LSTC）解释。相比 CDF/ATLAS 的现有方法，本文提出更清洁、更灵敏的运动学截断，表明 $Z\pi_T \to \ell^+\ell^-jj$ 和 $WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu$ 模式——尤其是后者——可在 1–20 fb$^{-1}$ 的 LHC 数据下确认或排除 LSTC 假设，利用相空间结构和 LSTC 参数 $\sin\chi$ 预测衰变率。

ABSTRACT

Under the assumption that the dijet excess seen by the CDF Collaboration near 150 Gev in Wjj production is due to the lightest technipion of the low-scale technicolor process $ρ_T ightarrow W π_T$, we study its observability in LHC detectors with 1--20 inverse femtobarns of data. We describe interesting new kinematic tests that can provide independent confirmation of this LSTC hypothesis. We find that cuts similar to those employed by CDF, and recently by ATLAS, cannot confirm the dijet signal. We propose cuts tailored to the LSTC hypothesis and its backgrounds at the LHC that may reveal $ρ_T ightarrow \ellνjj$. Observation of the isospin-related channel $ρ^{pm}_T ightarrow Z π^{pm}_T ightarrow \ell^+ \ell^- jj$ and of $ρ^{pm}_T ightarrow WZ$ in the three lepton plus neutrino and dilepton plus dijet modes will be important confirmations of the LSTC interpretation of the CDF signal. The $Zπ_T$ channel is experimentally cleaner than $Wπ_T$ and its rate is known from $Wπ_T$ by phase space. It can be discovered or excluded with the collider data expected in 2012. The $WZ ightarrow 3\ellν$ channel is cleanest of all and its rate is determined from $Wπ_T$ and the LSTC parameter $\sinχ$. This channel and $WZ ightarrow \ell^+\ell^- jj$ are discussed as a function of $\sinχ$.

研究动机与目标

• 检验低尺度规范色（LSTC）假说，即 CDF 在 150 GeV 处观测到的二喷射过剩源于 technirho 共振态的 $\rho_T \to W\pi_T$ 衰变。
• 提出针对 $\rho_T \to W\pi_T$ 及相关 $Z\pi_T$、$WZ$ 衰变道的 LHC 搜索策略，其灵敏度优于 CDF 和 ATLAS 使用的现有截断。
• 识别实验上更清洁的衰变道——尤其是 $Z\pi_T \to \ell^+\ell^-jj$ 和 $WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu$——这些道可在 1–20 fb$^{-1}$ 数据下确认或排除 LSTC 解释。
• 量化这些道的发现潜力作为 LSTC 参数 $\sin\chi$ 的函数，该参数控制 $WZ$ 的分支比。

提出的方法

• 提出一组专为 LSTC 假说设计的新运动学截断，聚焦于 $\rho_T \to W\pi_T$ 及相关 $Z\pi_T$、$WZ$ 衰变道，以提升信号与背景的比率。
• 使用相空间积分与雅可比变换，建立微分截面 $d\sigma/d(\Delta R)$ 的模型，其中 $\Delta R$ 是对 $\rho_T$ 共振态敏感的变量。
• 采用类似 Fadeev-Popov 的技巧，计算截面的阈值行为，推导出在相空间阈值附近出现的平方根奇点 $\propto \sqrt{\Delta R - (\Delta\chi)_{\rm min}}$。
• 通过在最小值 $\Delta R = (\Delta\chi)_{\rm min}$ 附近使用抛物面近似，推导 $d\sigma/d(\Delta R)$ 的奇点行为，其曲率由系数 $b_{\theta}, b_{\theta^*}, b_{\phi^*}$ 决定。
• 引入变量变换 $\rho, \kappa$ 以简化相空间积分，使阈值奇点的解析处理成为可能。
• 基于已知的 $W\pi_T$ 衰变率和 LSTC 参数 $\sin\chi$，预测 $WZ$ 衰变率，从而实现不同衰变道间的一致性检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CDF 观测到 150 GeV 二喷射过剩的背景下，LHC 能否探测到 LSTC 模型预测的 $\rho_T \to W\pi_T$ 共振态？
• RQ2 LHC 是否存在能显著提升对 $\rho_T \to W\pi_T$ 信号探测灵敏度的运动学截断，优于 CDF 和 ATLAS 使用的截断？
• RQ3 $Z\pi_T \to \ell^+\ell^-jj$ 道是否比 $W\pi_T \to \ell\(\nu\)jj 实验上更清洁？其能否在 1–20 fb$^{-1}$ 数据下被发现或排除？
• RQ4 $WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu$ 道能否作为 LSTC 假说的决定性确认，其截面如何依赖于 $\sin\chi$？
• RQ5 $\rho_T$ 产生与衰变的微分截面 $d\sigma/d(\Delta R)$ 的阈值行为是什么？其对信号提取有何启示？

主要发现

• $Z\pi_T \to \ell^+\ell^-jj$ 道在实验上比 $W\pi_T \to \ell\(\nu\)jj 更为清洁，且可在 1–20 fb$^{-1}$ 的 LHC 数据下被发现或排除，其截面由 $W\pi_T$ 模式决定。
• $WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu$ 道是所有道中最清洁的，其截面完全由 $W\pi_T$ 截面和 LSTC 参数 $\sin\chi$ 决定，是关键的确认通道。
• 微分截面 $d\sigma/d(\Delta R)$ 在阈值附近表现出平方根奇点，$\propto \sqrt{\Delta R - (\Delta\chi)_{\rm min}}$，从而增强对 $\rho_T$ 共振态的探测灵敏度。
• 标准的 CDF 和 ATLAS 式截断不足以确认二喷射信号；必须采用针对 LSTC 模型定制的新截断才能实现发现。
• $WZ \to \ell^+\ell^-jj$ 道同样是可行的发现通道，其截面由 $W\pi_T$ 和 $\sin\chi$ 预测，其信号强度取决于 $\sin\chi$ 的取值。
• 分析表明，由于行走规范色效应，$\rho_T$ 衰变为 $W\pi_T$ 受到抑制，导致 $M_{\pi_T}$ 相对于 $M_{\rho_T}$ 显著增大，从而关闭所有 $\pi_T$ 终态的衰变通道，偏好弱玻色子终态。