[论文解读] W' in new physics models at the LHC

Donghee Kim, Youngdo Oh+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上，各种新物理模型中重的带电规范玻色子 $W^\prime$ 的产生与探测，重点聚焦于普遍额外维（UED）模型。利用 $pp \to W^\prime \to \ell\nu_\ell$ 信号在 $\sqrt{s} = 7$ 和 $14$ TeV 下的数据，本文表明，当能量为 14 TeV 且积分亮度为 100 fb$^{-1}$ 时，LHC 可将卡鲁扎-克莱因尺度探测至 $1/R \lesssim 3.4$ TeV，从而对 UED 作为暗物质模型构成强烈约束。

ABSTRACT

We study the new heavy charged gauge boson W' in various models including Left-Right symmetric, Little Higgs, Randall-Sundrum and universal extra dimension model considering pp ightarrow W' ightarrow lepton + neutrino with the 7 TeV and 14 TeV CM energies at the LHC. Of particular, we show that the universal extra dimension model is highly constrained by existing and forthcoming data.

研究动机与目标

• 评估 $W^\prime$ 玻色子作为 LHC 上新物理信号的可行性。
• 评估 LHC 通过 $pp \to W_2 \to \ell\nu_\ell$ 信号对普遍额外维（UED）模型的探测灵敏度。
• 确定 LHC 在探测 UED 模型中卡鲁扎-克莱因尺度 $1/R$ 和体费米子质量 $\mu$ 方面的探测能力。
• 比较现有及未来 LHC 数据对 UED 模型的约束，特别是其作为暗物质候选者的潜力。

提出的方法

• 在 UED 框架下建模 $W$-玻色子的第二级卡鲁扎-克莱因（KK）态（$W_2$）及其 $W_2 \to \ell\nu_\ell$ 衰变过程。
• 使用 Pythia 蒙特卡洛事件生成器与 CTEQ6L1 部子分布函数，计算产生截面与分支比。
• 应用公式 $\Gamma(W_n \to e\nu) \approx \frac{g_n^2}{48\pi} m_n (1+\delta)$ 估算部分衰变宽度。
• 基于零观测信号事例与 100% 探测器效率，采用 95% 置信水平（C.L.）极限定义灵敏度区域。
• 在 $1/R \in [0, 7000]$ GeV 和 $\mu \in [0, 16000]$ GeV 范围内扫描 UED 参数空间。
• 投影在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 下 1–20 fb$^{-1}$ 亮度及 $\sqrt{s} = 14$ TeV 下 10–100 fb$^{-1}$ 亮度下的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC 能否在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 和 $14$ TeV 下，通过 $pp \to W_2 \to \ell\bar{\nu}_\ell$ 信号探测到普遍额外维模型中预测的 $W^\prime$ 玻色子？
• RQ2 在不同亮度条件下，LHC 对 UED 模型中 $W_2$ 玻色子的卡鲁扎-克莱因尺度 $1/R$ 最大可探测到多大？
• RQ3 现有及未来 LHC 数据如何约束 UED 模型作为暗物质可行框架的可能性？
• RQ4 在当前及未来 LHC 对 $\sigma \times \text{Br}(W^\prime \to \ell\nu_\ell)$ 的限制下，UED 模型中的 $W_2$ 信号仍有多大的可行性？
• RQ5 在 UED 模型中，$W_2$ 的衰变宽度与产生率如何依赖于体费米子质量 $\mu$ 与 $1/R$？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 且积分亮度为 20 fb$^{-1}$ 时，LHC 可将卡鲁扎-克莱因尺度探测至 $1/R \lesssim 2$ TeV。
• 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 且亮度为 100 fb$^{-1}$ 时，LHC 可将 $1/R \lesssim 6.0$ TeV 的尺度探测到，覆盖了 KK 光子作为暗物质的自然尺度范围。
• 当前及未来的 LHC 数据已对 UED 模型构成高度约束，其参数空间的大部分区域已被排除。
• 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 且亮度为 100 fb$^{-1}$ 时，灵敏度区域可扩展至 $1/R \lesssim 3.4$ TeV，适用于广泛的 $\mu$ 取值。
• $W_2$ 的产生截面乘以分支比对 $1/R$ 和 $\mu$ 均敏感，其主导衰变通道为 $W_2 \to \ell\nu_\ell$。
• 本研究证实，鉴于 LHC 探测范围已深入至自然尺度 $1/R \sim \text{几}$ TeV 的区域，其有能力基本排除或确认 UED 模型作为暗物质理论框架的可行性。