[论文解读] Z'_{B-L} discovery potential at the LHC for \sqrt{s}=7 TeV

L. Basso, A. Belyaev+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 30

一句话总结

本文评估了在√s = 7 TeV条件下，LHC与Tevatron对Z'_{B-L}规范玻色子的发现潜力，重点研究通过重Majorana中微子衰变产生的二轻子（e⁺e⁻，μ⁺μ⁻）和多轻子末态。结果表明，电子通道的灵敏度高于μ子通道，LHC上5σ发现可达M_{Z'} = 1.2 TeV，Tevatron上可达M_{Z'} = 0.9 TeV；而2σ排除极限在LHC上可延伸至1.6 TeV，对应1 fb⁻¹亮度。

ABSTRACT

We present the Large Hadron Collider (LHC) discovery potential in the Z' sector of a U(1)_{B-L} enlarged Standard Model also encompassing three heavy Majorana neutrinos, for \sqrt{s}=7 centre-of-mass energy, considering both the Z'_{B-L} ightarrow e^+e^- and Z'_{B-L} ightarrow μ^+μ^- decay channels. Electrons provide a higher sensitivity to smaller couplings at small Z'_{B-L} boson masses than do muons. The run of the LHC at \sqrt{s}=7 TeV, assuming at most \int \mathcal{L} \sim 1 fb^{-1}, will be able to give similar results to those that will be available soon at the Tevatron in the lower mass region, and to extend them for a heavier M_{Z'}. A 5σdiscovery could be possible up to M_{Z'}=1.2(0.9) TeV at the LHC(Tevatron), while a 2σexclusion at the LHC could be possible up to M_{Z'}=1.6 TeV. The new gauge coupling g'_1 can been probed, at 5σ, down to \sim (3 ÷4) \cdot 10^{-2} with electrons and down to \sim (4 ÷5) \cdot 10^{-2} with muons, both at the LHC and at the Tevatron, for M_{Z'}=600 GeV. The Z' boson in this model exhibits novel signatures at the LHC, as multi-lepton and multi-jet decays via heavy neutrinos, that allow one to measure the heavy neutrino masses involved. Lastly, the simultaneous measurement of both the heavy neutrino mass and decay length (over a large region of parameter space, the heavy neutrinos are rather long-lived particles) enables an estimate of the absolute mass of the parent light neutrino.

研究动机与目标

• 评估在√s = 7 TeV条件下，LHC与Tevatron中U(1)_{B-L}扩展标准模型下Z'_{B-L}玻色子的发现潜力。
• 比较e⁺e⁻与μ⁺μ⁻衰变道在Z'_{B-L}探测中的灵敏度差异。
• 探讨重Majorana中微子在产生独特多轻子末态与位移顶点信号中的作用。
• 研究通过跷跷板机制测量重中微子质量与衰变长度，以推断轻中微子绝对质量的可能性。

提出的方法

• 该研究采用最小B-L模型，包含三个重右手中微子及一个B-L荷Higgs标量，以消除 gauge 异常。
• 在基准点（M_{Z'} = 1.5 TeV，g'_1 = 0.2，M_{\nu_h} = 200 GeV）进行蒙特卡罗模拟，以建模Z' → ν_hν_h → 3l + 2j + ℓ + \slashed{E}_T衰变链。
• 利用横动量分布m_T^2 = (\sqrt{M^2_{\text{vis}} + P_T^2_{\text{vis}}} + |\slashed{P}_T|)^2 - |\vec{P}_{T,\text{vis}} + \slashed{\vec{P}}_T|^2来重建Z'质量并识别重中微子衰变。
• 应用运动学截断与探测器接受度要求，以抑制SM Drell-Yan背景。
• 利用1 fb⁻¹亮度，比较LHC与Tevatron在信号显著性与排除极限方面的表现。
• 通过反演跷跷板公式，从测量的重中微子质量与衰变长度估算轻中微子质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 7 TeV与1 fb⁻¹亮度条件下，LHC中Z'_{B-L}在二轻子末态下的5σ发现极限是多少？
• RQ2 在LHC与Tevatron中，e⁺e⁻与μ⁺μ⁻末态在Z'_{B-L}探测中的灵敏度有何差异？
• RQ3 Z' → ν_hν_h衰变产生的多轻子末态是否可因位移顶点而形成B-L模型的独特信号？
• RQ4 在多大程度上可精确测量重Majorana中微子的质量与衰变长度，以推断轻中微子的绝对质量？

主要发现

• 在1 fb⁻¹亮度下，LHC可实现M_{Z'} = 1.2 TeV以内的Z'_{B-L} 5σ发现，Tevatron可实现M_{Z'} = 0.9 TeV以内的发现。
• 电子通道灵敏度高于μ子通道，LHC上5σ发现可达M_{Z'} = 1.2 TeV，Tevatron上可达M_{Z'} = 0.9 TeV；而μ子通道的对应值分别为1.0 TeV与0.8 TeV。
• 在1 fb⁻¹亮度下，LHC可利用电子或μ子末态将Z'_{B-L}的2σ排除极限扩展至M_{Z'} = 1.6 TeV。
• 在M_{Z'} = 600 GeV时，LHC与Tevatron中，电子末态的Z'新规范耦合5σ发现阈值约为(3÷4) × 10⁻²，μ子末态约为(4÷5) × 10⁻²。
• 当可见粒子包含3个轻子与2个喷注时，横动量分布的峰值出现在Z'质量处，为M_{Z'}的精确测量提供了稳健方法。
• 在横动量分布中同时观测到Z'与重中微子质量峰，证实了该模型具有低背景的特征多轻子末态。