單個類矢量B夸克在緊湊型線性對撞機上通過bZ衰變道的產(chǎn)生

崔小敏,李亞楨,王奕戈,劉要北

(河南科技學(xué)院 a.機電學(xué)院;b.數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453000)

為了解決規(guī)范等級問題,許多超出標準模型的新物理理論都預(yù)測類矢量夸克的存在從而抵消希格斯玻色子的質(zhì)量平方發(fā)散,例如小希格斯模型、額外維度和復(fù)合希格斯模型等[1].這些新粒子是復(fù)合三重態(tài)自旋 1/2費米子,在標準模型的電弱對稱群下,它們的左右手分量具有相同的變換性質(zhì).類矢量夸克的電荷可以是+(2/3)e(T夸克),-(1/3)e(B夸克),+(5/3)e(X夸克)或-(4/3)e(Y夸克).它們可能出現(xiàn)在電弱單態(tài)[B,Y],電弱雙重態(tài)[(X,T),(T,B)或(B,Y)]或電弱三重態(tài)[(X,T,B)或(T,B,Y)]中.這些新費米子的一個共同特征是可以衰變?yōu)橐粋€標準模型夸克和一個規(guī)范玻色子,或一個希格斯玻色子.它們會在當前和未來的高能對撞機中產(chǎn)生典型的信號[2-3].本文重點關(guān)注電弱單態(tài)的類矢量B夸克(Vector-LikeB-quark,VLQ-B),且它僅與第三代標準模型夸克存在耦合的情況.

在大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)實驗上,ATLAS 和CMS合作組分別在13 TeV的LHC上通過成對產(chǎn)生過程對VLQ-B進行了尋找,并在95%的置信水平(Confidence Level,CL)上給出了VLQ-B質(zhì)量的限制.例如,CMS合作組通過包含單輕子、雙輕子和多輕子末態(tài)信號探測了VLQ-B的所有衰變模式,在910～1 240 GeV[4]范圍內(nèi)給出了質(zhì)量的限制.最近,CMS合作組通過VLQ-B成對產(chǎn)生過程對完全強子末態(tài)信號進行了尋找,分別給出了B→tZ和B→th衰變分支比為100%時對質(zhì)量的限制為 1 570和1 390 GeV[5].此外,ATLAS合作組綜合了多個末態(tài)信號的測量結(jié)果,在95% CL給出了VLQ-B在電弱單態(tài)、電弱雙重態(tài)(T,B)和(B,Y)情形時的質(zhì)量限制分別為1 220、1 370和1 140 GeV[6].

1 模型框架

如果只考慮SU(2)單態(tài)的VLQ-B與第三代夸克存在耦合的情況,參數(shù)化后的拉格朗日量

其中,g是SU(2)L規(guī)范耦合常數(shù),θW是溫伯格角,ν是真空期望值.因此該理論只有兩個自由參數(shù):VLQ-B質(zhì)量MB和耦合強度κB.最近,文獻[11]擬合了ATLAS和CMS實驗組對單個類矢量夸克產(chǎn)生過程的數(shù)據(jù)并給出了對耦合強度參數(shù)和各種類矢量夸克的質(zhì)量的限制,如對于僅與第三代夸克有耦合的VLQ-B,當MB≤2 TeV時,κB≤1.0.本文采取的參數(shù)空間為:κB≤0.6,MB≤1 200 GeV.需要指出的是,由于受具體模型的影響,本文并未考慮電弱精確測量對耦合強度參數(shù)的限制.

由圖1可知隨著VLQ-B質(zhì)量的增大,產(chǎn)生截面隨著相空間變大而減小.當κB=0.3和MB=2 000 GeV時,產(chǎn)生截面可以達到 0.28 fb.顯然,對于固定的VLQ-B質(zhì)量和質(zhì)心能量,該過程的產(chǎn)生截面與耦合強度κB的平方成正比.

2 對撞機模擬與分析

從上可知 VLQ-B可以在直線對撞機上與標準模型中的底夸克協(xié)同產(chǎn)生.圖2給出了上述過程通過B→bZ衰變的費曼圖.考慮到隨后Z玻色子的2種衰變模式:輕子衰變道Z→+-,以及中微子衰變道該過程有兩個典型的末態(tài)信號,分別為2b2和2b+E/T.

在產(chǎn)生信號和標準模型背景的蒙特卡洛事件時,模擬的事例數(shù)通過Pythia8.20[14]進行部分子碎裂和強子化,并使用Delphes3.4.2[15]進行探測器模擬,其中CLIC上的delphes_card用作探測器參數(shù),底夸克噴注標記的效率為70%.最后,使用 MadAnalysis5軟件包[16]對信號和背景事例進行分析.

2.1 衰變道Z→+-的分析

通過衰變道Z→+-(=e,μ)分析該過程的末態(tài)信號

為了識別對象,對信號和標準模型背景在部分子水平采用以下基本截斷

Cut-2:Z玻色子不變質(zhì)量要求滿足|M-mZ|<10 GeV.

Cut-3:VLQ-B夸克不變質(zhì)量要求滿足Mb112>1 000 GeV.

表1 當κB=0.3時,施加各截斷后通過Z→+-衰變道的信號和標準模型背景的產(chǎn)生截面

Tab. 1 Cut flow of the cross sections for the signals via the decay channel Z→+- and SM backgrounds with κB=0.3 ab

表1 當κB=0.3時,施加各截斷后通過Z→+-衰變道的信號和標準模型背景的產(chǎn)生截面

截斷信號1 200 GeV1 500 GeV2 000 GeV背景?+?-bb?+?-jjBasic4.592.790.723 62710 480Cut 11.761.040.242.840.050Cut 21.350.910.212.480.043Cut 31.220.720.181.920.027

2.2 衰變道的分析

Cut-a:橫向丟失能量滿足E/T>300 GeV.

Cut-b:至少有兩個b-jet,沒有任何輕子(N()=0)),且兩個b-jet橫向動量和分離度需要滿足和ΔRb1,b2>2.5.

Cut-c:B夸克的橫向質(zhì)量需要滿足MT(b1)>1 000 GeV.

表2 當κB=0.3時,施加各截斷后通過信號和標準模型背景的產(chǎn)生截面

2.3 信號統(tǒng)計顯著度

為了研究探測的靈敏度,使用信號顯著性公式

它們分別表示5σ的發(fā)現(xiàn)區(qū)域以及2σ的排除區(qū)域.其中,s和b代表截斷后的信號和標準模型背景的事例數(shù),其在數(shù)值上等于產(chǎn)生截面與年積分亮度的乘積,這里年積分亮度取5 ab-1.為了預(yù)估在CLIC上尋找VLQ-B的可能性,本文沒有考慮系統(tǒng)誤差及初末態(tài)韌致輻射效應(yīng)的影響.

3 結(jié) 論