[论文解读] Trilepton signals: the golden channel for seesaw searches at LHC

F. del Águila, J. A. Aguilar–Saavedra+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 29

一句话总结

该论文识别出三轻子末态是大型强子对撞机（LHC）探测 seesaw 介体的最敏感通道，特别是标量（II型）和费米子（III型）三重态，可在30 fb⁻¹亮度下探测到500–700 GeV以内的质量。在具有新规范玻色子的左右对称模型中，若$W_R$质量最高达~4 TeV，则重右手中微子的可观测质量上限可达~2 TeV，这是由于通过$W_R^*$衰变为喷注的分支比增强，使得尽管存在较大的标准模型（SM）背景，三轻子信号仍具有高度显著性。

ABSTRACT

The comparison of samples with different number of charged leptons shows that trilepton signals are the most significant ones for seesaw mediators. As previously pointed out, this is indeed the case for scalar (type II) and fermion (type III) triplets at LHC, which can be discovered in this channel for masses up to 500-700 GeV and an integrated luminosity of 30 fb^-1; whereas fermion singlets (type I) are marginally observable if there are no further new physics near the TeV scale. However, if there are new gauge interactions at this scale coupling to right-handed neutrinos, as in left-right models, heavy neutrinos are observable up to masses ~ 2 TeV for new gauge boson masses up to ~ 4 TeV, as we discuss in some detail.

研究动机与目标

• 识别LHC中探测seesaw介体的最敏感末态，尤其在存在重中微子或新规范玻色子的模型中。
• 在考虑真实SM背景的前提下，评估三轻子末态相较于二轻子和反号二轻子末态的发现潜力。
• 评估与右手中微子耦合的新规范相互作用对多轻子末态中重中微子信号探测范围的影响。
• 量化在具有$W_R$规范玻色子的左右对称模型中，重中微子在三轻子和二轻子末态中的发现范围。

提出的方法

• 本研究采用部分子级计算和蒙特卡罗模拟，使用Alpgen生成信号和SM背景，Pythia 6.4用于部分子辐射、强子化及堆叠效应模拟。
• 采用快速探测器模拟（AcerDET）对通用LHC探测器的响应进行建模，实现对真实重建和选择标准的模拟。
• 对三轻子（$\ell^{\pm}\ell^{\pm}\ell^{\mp}$）、同号二轻子（$\ell^{\pm}\ell^{\pm}$）和反号二轻子（$\ell^{+}\ell^{-}$）末态应用信号选择标准，包括对$p_T$、不变质量、缺失横向动量和总不变质量的运动学截断。
• 使用分支比$\text{Br}_R = \Gamma(N \to lW_R^* \to ljj) / \Gamma_{\text{total}}$来模拟$W_R^*$衰变为喷注的主导性，部分情景中假设$\text{Br}_R \sim 1$。
• 分析中综合考虑了信号效率、SM背景水平（如$t\bar{t}$、$W^+W^+$）和探测器效应，比较了不同末态的显著性。
• 基于30 fb⁻¹亮度推导出$m_N$和$M_{W_R}$的发现极限，针对$\text{Br}_R \sim 0$和$\text{Br}_R \sim 1$两种情景分别进行了专门模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何三轻子末态在LHC中对seesaw介体探测的灵敏度高于二轻子或反号二轻子末态？
• RQ2 在左右对称模型中，新$W_R$规范玻色子的存在如何提升对重右手中微子的探测范围？
• RQ3 当$W_R^*$衰变主导为喷注时，三轻子信号与同号二轻子信号的相对显著性如何？
• RQ4 SM背景（尤其是$t\bar{t}$和$W^+W^+$）如何影响多轻子末态中轻子数破坏信号的可探测性？
• RQ5 在$W_R$质量最高达4 TeV的左右对称模型中，重中微子的最大质量探测范围是多少？

主要发现

• 三轻子信号是探测seesaw介体的最显著末态，尤其对标量$\Delta$（II型）和费米子$\Sigma$（III型）三重态，可在30 fb⁻¹亮度下探测到500–700 GeV的质量范围。
• 费米子单重态$N$（I型）在LHC中仅边缘可观测，除非存在新物理（如$W_R$规范玻色子）增强其衰变分支比。
• 在具有$W_R$规范玻色子的左右对称模型中，当$W_R$质量最高达~4 TeV时，重中微子$N$的可观测质量上限可达~2 TeV。
• 尽管二轻子末态的分支比更高，但由于SM背景更高且信号效率更低，三轻子与同号二轻子末态的显著性相当。
• 三轻子与二轻子末态的联合分析可实现与$W_R^*$主导衰变为两喷注情景相近的发现范围，表明三轻子信号在探测新物理方面极为有效。
• 当$\text{Br}_R \sim 1$时，$m_N$和$M_{W_R}$的发现范围与$W_R^* \to jj$衰变情景相当，证实三轻子通道在左右对称模型中是黄金探测工具。