单个类矢量B夸克在紧凑型线性对撞机上通过bZ衰变道的产生

崔小敏,李亚桢,王奕戈,刘要北

(河南科技学院 a.机电学院;b.数学科学学院,河南 新乡 453000)

为了解决规范等级问题,许多超出标准模型的新物理理论都预测类矢量夸克的存在从而抵消希格斯玻色子的质量平方发散,例如小希格斯模型、额外维度和复合希格斯模型等[1].这些新粒子是复合三重态自旋 1/2费米子,在标准模型的电弱对称群下,它们的左右手分量具有相同的变换性质.类矢量夸克的电荷可以是+(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).它们可能出现在电弱单态[B,Y],电弱双重态[(X,T),(T,B)或(B,Y)]或电弱三重态[(X,T,B)或(T,B,Y)]中.这些新费米子的一个共同特征是可以衰变为一个标准模型夸克和一个规范玻色子,或一个希格斯玻色子.它们会在当前和未来的高能对撞机中产生典型的信号[2-3].本文重点关注电弱单态的类矢量B夸克(Vector-LikeB-quark,VLQ-B),且它仅与第三代标准模型夸克存在耦合的情况.

在大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)实验上,ATLAS 和CMS合作组分别在13 TeV的LHC上通过成对产生过程对VLQ-B进行了寻找,并在95%的置信水平(Confidence Level,CL)上给出了VLQ-B质量的限制.例如,CMS合作组通过包含单轻子、双轻子和多轻子末态信号探测了VLQ-B的所有衰变模式,在910～1 240 GeV[4]范围内给出了质量的限制.最近,CMS合作组通过VLQ-B成对产生过程对完全强子末态信号进行了寻找,分别给出了B→tZ和B→th衰变分支比为100%时对质量的限制为 1 570和1 390 GeV[5].此外,ATLAS合作组综合了多个末态信号的测量结果,在95% CL给出了VLQ-B在电弱单态、电弱双重态(T,B)和(B,Y)情形时的质量限制分别为1 220、1 370和1 140 GeV[6].

1 模型框架

如果只考虑SU(2)单态的VLQ-B与第三代夸克存在耦合的情况,参数化后的拉格朗日量

其中,g是SU(2)L规范耦合常数,θW是温伯格角,ν是真空期望值.因此该理论只有两个自由参数:VLQ-B质量MB和耦合强度κB.最近,文献[11]拟合了ATLAS和CMS实验组对单个类矢量夸克产生过程的数据并给出了对耦合强度参数和各种类矢量夸克的质量的限制,如对于仅与第三代夸克有耦合的VLQ-B,当MB≤2 TeV时,κB≤1.0.本文采取的参数空间为:κB≤0.6,MB≤1 200 GeV.需要指出的是,由于受具体模型的影响,本文并未考虑电弱精确测量对耦合强度参数的限制.

由图1可知随着VLQ-B质量的增大,产生截面随着相空间变大而减小.当κB=0.3和MB=2 000 GeV时,产生截面可以达到 0.28 fb.显然,对于固定的VLQ-B质量和质心能量,该过程的产生截面与耦合强度κB的平方成正比.

2 对撞机模拟与分析

从上可知 VLQ-B可以在直线对撞机上与标准模型中的底夸克协同产生.图2给出了上述过程通过B→bZ衰变的费曼图.考虑到随后Z玻色子的2种衰变模式:轻子衰变道Z→+-,以及中微子衰变道该过程有两个典型的末态信号,分别为2b2和2b+E/T.

在产生信号和标准模型背景的蒙特卡洛事件时,模拟的事例数通过Pythia8.20[14]进行部分子碎裂和强子化,并使用Delphes3.4.2[15]进行探测器模拟,其中CLIC上的delphes_card用作探测器参数,底夸克喷注标记的效率为70%.最后,使用 MadAnalysis5软件包[16]对信号和背景事例进行分析.

2.1 衰变道Z→+-的分析

通过衰变道Z→+-(=e,μ)分析该过程的末态信号

为了识别对象,对信号和标准模型背景在部分子水平采用以下基本截断

Cut-2:Z玻色子不变质量要求满足|M-mZ|<10 GeV.

Cut-3:VLQ-B夸克不变质量要求满足Mb112>1 000 GeV.

表1 当κB=0.3时,施加各截断后通过Z→+-衰变道的信号和标准模型背景的产生截面

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 当κB=0.3时,施加各截断后通过Z→+-衰变道的信号和标准模型背景的产生截面

截断信号1 200 GeV1 500 GeV2 000 GeV背景ℓ+ℓ-bbℓ+ℓ-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 衰变道的分析

Cut-a:横向丢失能量满足E/T>300 GeV.

Cut-b:至少有两个b-jet,没有任何轻子(N()=0)),且两个b-jet横向动量和分离度需要满足和ΔRb1,b2>2.5.

Cut-c:B夸克的横向质量需要满足MT(b1)>1 000 GeV.

表2 当κB=0.3时,施加各截断后通过信号和标准模型背景的产生截面

2.3 信号统计显著度

为了研究探测的灵敏度,使用信号显著性公式

它们分别表示5σ的发现区域以及2σ的排除区域.其中,s和b代表截断后的信号和标准模型背景的事例数,其在数值上等于产生截面与年积分亮度的乘积,这里年积分亮度取5 ab-1.为了预估在CLIC上寻找VLQ-B的可能性,本文没有考虑系统误差及初末态韧致辐射效应的影响.

3 结 论