單個類矢量B夸克在緊湊型線性對撞機上通過bZ衰變道的產生

崔小敏,李亞楨,王奕戈,劉要北

(河南科技學院 a.機電學院;b.數學科學學院,河南 新鄉 453000)

為了解決規范等級問題,許多超出標準模型的新物理理論都預測類矢量夸克的存在從而抵消希格斯玻色子的質量平方發散,例如小希格斯模型、額外維度和復合希格斯模型等[1].這些新粒子是復合三重態自旋 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.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).它們可能出現在電弱單態[B,Y],電弱雙重態[(X,T),(T,B)或(B,Y)]或電弱三重態[(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為一個標準模型夸克和一個規范玻色子,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生典型的信號[2-3].本文重點關注電弱單態的類矢量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信號探測了VLQ-B的所有衰變模式,在910～1 240 GeV[4]范圍內給出了質量的限制.最近,CMS合作組通過VLQ-B成對產生過程對完全強子末態信號進行了尋找,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信號的測量結果,在95% CL給出了VLQ-B在電弱單態、電弱雙重態(T,B)和(B,Y)情形時的質量限制分別為1 220、1 370和1 140 GeV[6].

1 模型框架

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

其中,g是SU(2)L規范耦合常數,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:VLQ-B質量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生過程的數據并給出了對耦合強度參數和各種類矢量夸克的質量的限制,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的限制.

由圖1可知隨著VLQ-B質量的增大,產生截面隨著相空間變大而減小.當κB=0.3和MB=2 000 GeV時,產生截面可以達到 0.28 fb.顯然,對于固定的VLQ-B質量和質心能量,該過程的產生截面與耦合強度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同產生.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信號,分別為2b2和2b+E/T.

在產生信號和標準模型背景的蒙特卡洛事件時,模擬的事例數通過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,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玻色子不變質量要求滿足|M-mZ|<10 GeV.

Cut-3:VLQ-B夸克不變質量要求滿足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生截面

2.3 信號統計顯著度

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的發現區域以及2σ的排除區域.其中,s和b代表截斷后的信號和標準模型背景的事例數,其在數值上等于產生截面與年積分亮度的乘積,這里年積分亮度取5 ab-1.為了預估在CLIC上尋找VLQ-B的可能性,本文沒有考慮系統誤差及初末態韌致輻射效應的影響.

3 結 論