[论文解读] Z' Discovery Reach at Future Hadron Colliders: A Snowmass White Paper

Stephen Godfrey, Travis Martin|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 13

一句话总结

本Snowmass白皮书评估了未来高能强子对撞机（包括LHC、HL-LHC、HE-LHC和VHE-LHC）通过双轻子末态中的Drell-Yan过程对$Z^\prime$玻色子的发现能力。结果表明，100 TeV的VHE-LHC可探测高达约30 TeV的$Z^\prime$质量，显著超越LHC约5 TeV的探测范围，且在高能区，双电子末态最为有效。

ABSTRACT

Extra neutral gauge bosons are a feature of many models of physics beyond the standard model (BSM) and their discovery could possibly be the first evidence for new physics. In this Snowmass white paper we compare the discovery reach of the high energy hadron colliders considered by the Snowmass study for a broad range of BSM models. It is expected that the LHC should be able to see evidence for a Z' arising from a large variety of BSM models up to a mass of ~5 TeV when the LHC reaches its design energy and luminosity, and up to ~6 TeV with the high luminosity upgrade. Further into the future, the high energy LHC would substantially extend this reach to ~11 TeV, while the ~100 TeV VHE-LHC could see evidence for Z' 's up to ~30 TeV.

研究动机与目标

• 评估Snowmass研究中考虑的未来强子对撞机场景下$Z^\prime$玻色子的发现潜力。
• 比较LHC、HL-LHC、HE-LHC和VHE-LHC等不同对撞机设计在多种新物理模型中对$Z^\prime$共振态的敏感度。
• 量化在$Z^\prime$质量和亮度方面的探测能力，重点关注双轻子和二胶子末态。
• 对比强子对撞机与未来$e^{+}e^{-}$对撞机在耦合常数精确测量方面的探测能力。
• 通过识别探测高尺度新物理所需的能量与亮度阈值，为未来对撞机规划提供建议。

提出的方法

• 以Drell-Yan过程作为强子对撞中$Z^\prime$产生的主要机制，通过双轻子末态中的不变质量重建进行探测。
• 应用$|\eta| < 2.5$和$p_T > 20$ GeV的运动学截断，以模拟探测器的接受度与效率。
• 定义发现标准为：在共振峰$\pm 3\Gamma_{Z^\prime}}$范围内，存在5个孤立的双μ子事例，且信号背景比≥5。
• 对比不同$Z^\prime$耦合模式（如SSM、$\eta$、$\chi$、$\psi$）及轻子禁闭情景下的结果。
• 评估$Z^\prime$衰变为二胶子和$b\bar{b}$末态的情况，尤其针对夸克分支比大的模型。
• 对比强子对撞机与$e^{+}e^{-}$对撞机的探测能力，利用横截面和不对称性的精确测量推断$Z^\prime$耦合常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC及其升级版本中，使用双轻子末态可探测的$Z^\prime$最大质量是多少？
• RQ2 在不同未来强子对撞机设计中，随着质心系能量和亮度的提升，$Z^\prime$玻色子的探测能力如何变化？
• RQ3 $e^{+}e^{-}$对撞机对$Z^\prime$玻色子的探测能力与强子对撞机相比如何，特别是在探测高尺度模型方面？
• RQ4 双电子、二胶子、$b\bar{b}$和$t\bar{t}$等末态在不同$Z^\prime$耦合模式下如何扩展探测能力？
• RQ5 在$e^{+}e^{-}$对撞机上进行的精确测量能否区分质量相近但耦合不同的$Z^\prime$模型？其结果如何与强子对撞机数据互补？

主要发现

• 在设计能量和亮度下运行的LHC可探测约5 TeV的$Z^\prime$质量，适用于广泛的BSM模型。
• 高亮度LHC（HL-LHC）通过提升事例统计量和背景抑制能力，将探测能力扩展至约6 TeV。
• 中心系能量约为30 TeV的高能LHC（HE-LHC）可探测高达约11 TeV的$Z^\prime$质量。
• 100 TeV的极高能LHC（VHE-LHC）具备探测高达约30 TeV的$Z^\prime$质量的潜力。
• 在高能区$Z^\prime$探测中，双电子末态因能量分辨率优于高$p_T$区的μ子，预计最为有效。
• 相比之下，500 GeV的$e^{+}e^{-}$对撞机在500 fb$^{-1}$亮度下可探测至约6 TeV的$Z^\prime$质量，而1 TeV的$e^{+}e^{-}$对撞机在1 ab$^{-1}$亮度下可探测至约12 TeV，与HE-LHC的探测能力相当。