[論文レビュー] A Z' Boson and the Higgs Boson Mass

Michael S. Chanowitz|ArXiv.org|Jun 5, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、標準模型の$U(1)_X$ゲージ拡張に由来する$Z^\prime$ボソンが、電弱適合および予測されるヒッグスボソン質量に与える影響を調査する。$Z$–$Z^\prime$混合を通じて、$Z^\prime$は重いヒッグスによる負の$\rho$-パラメータシフトを相殺し、ヒッグス質量の予測値を上昇させる。これにより、標準模型の適合とLEP IIの直接的制限との間の矛盾が解消される。主な結果は、$Y$-逐次的カップリングを持つ$Z^\prime$が、ハドロン的非対称性の不確実性を除外した場合、$m_H$の予測値を114 GeVの下限と整合させることが可能であるということである。

ABSTRACT

The Standard Model fit prefers values of the Higgs boson mass that are below the 114 GeV direct lower limit from LEP II. The discrepancy is acute if the 3.2 sigma disagreement for the effective weak interaction mixing angle from the two most precise measurements is attributed to underestimated systematic error. In that case the data suggests new physics to raise the predicted value of the Higgs mass. One of the simplest possibilities is a Z' boson, which would generically increase the prediction for the Higgs mass as a result of Z-Z' mixing. We explore the effect of Z-Z' mixing on the Higgs mass prediction, using both the full data set and the reduced data set that omits the hadronic asymmetry measurements of the weak mixing angle, which are more likely than the leptonic asymmetry measurements to have underestimated systematic uncertainty.

研究の動機と目的

• $A_{LR}$と$A_{FB}^b$測定値の間で持続的な$3.2\sigma$の不一致である有効なレプトン的弱混合角$\sin^2\theta_W^{\rm eff}$が、標準模型の適合を損なうという問題を解決すること。
• ハドロン的非対称性を除外した場合の標準模型による$ m_H \approx 50$ GeVの予測と、LEP IIによる直接的下限114 GeVとの間の矛盾を解消すること。
• $Z^\prime$ボソン（$Z$–$Z^\prime$混合を伴う$U(1)_X$拡張に由来）が、ヒッグス質量の予測値をLEP IIの制限と整合させるように上昇させられるかを検討すること。
• 特に$Y$-逐次的$Z^\prime$カップリングを想定した場合、LEP IIおよびCDFの最新の制約のもとで$Z^\prime$モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 重い標準模型ノーカレントヒッグス$H^\prime$を介して$Z$–$Z^\prime$混合を生成する$Z^\prime$モデルを定式化し、異常キャンセレーションと$Q_X$電荷の整数化を保証する。
• 完全なEWWGデータセット（完全な実験的相関とZFITTERによる放射修正を含む）を用いた、包括的な電弱精度適合に$Z^\prime$モデルを組み込む。
• BSM接触相互作用に関するLEP IIの制約と、$Z^\prime$生成に関するCDFの制約を適用する。これは、パラメータ空間の一部において、精度電弱制約よりも強い。
• 歪みパラメータ表現$S^\prime = 4(1-x_W)T^\prime$, $T^\prime = -T_X$を導出し、$Z^\prime$モデルと標準的歪み補正との等価性を示す。
• ハドロン的非対称性測定を含めるか否かで適合を実施し、$A_{FB}^b$における系統的不確実性への感受性を評価する。
• ベイズ解析を用いて、データセットA（ハドロン的非対称性を含む）とデータセットB（含まない）との間でモデルの適合度を比較し、LHCでの検証可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Y$-逐次的カップリングを持つ$Z^\prime$ボソンは、$m_H \approx 50$ GeVの標準模型適合予測とLEP IIの直接的下限114 GeVとの間の矛盾を解消できるか？
• RQ2 $Z$–$Z^\prime$混合は$\rho$パラメータおよび予測されるヒッグス質量にどのように影響を与え、重いヒッグスによる負の$\rho$-シフトを相殺できるか？
• RQ3 小さな$Z^\prime$カップリング領域において、$Z^\prime$生成に関するCDFの制約は、電弱精度制約よりも強いか？特に$Y$-逐次的モデルにおいて。
• RQ4 将来的なLHCデータにより、$Z^\prime$モデルは標準模型と区別可能か？特に異なるデータサブセットに対するベイズ適合の文脈で。

主な発見

• $Y$-逐次的カップリングを持つ$Z^\prime$モデルは、$Z$–$Z^\prime$混合を通じてヒッグス質量の予測値を上昇させ、$\rho$パラメータを上昇させ、重いヒッグスによる負の$\rho$-シフトを相殺する。
• ハドロン的非対称性測定を適合から除外した場合、$m_H$の予測値は$ m_H \approx 50$ GeVに上昇し、114 GeVを超える確率はわずか3%にとどまる。これは、$m_H$を上昇させるために新物理が必要であることを示唆する。
• $Y$-逐次的カップリングを持つ$Z^\prime$モデルは、データセットB（ハドロン的非対称性なし）のベイズ適合と整合するが、データセットA（含む）とは整合しない。これは、モデル依存のデータセット選好を示唆する。
• 歪みパラメータ表現$S^\prime = 4(1-x_W)T^\prime$, $T^\prime = -T_X$は、$Z^\prime$モデルが$\sin^2\theta_W^{\rm eff}$、$m_W$、$\Gamma_Z$に与える影響を正確に再現する。これにより、このクラスのモデルに対して歪み補正を用いる正当性が裏付けられる。
• 特に$Y$-逐次的モデルにおいて、小さな$Z^\prime$カップリング領域では、$Z^\prime$生成に関するCDFの制約がLEP IIの制約よりも強い。
• LHCはデータセットAとBを区別できる可能性がある。300 GeVのヒッグスと$Y$-逐次的$Z^\prime$の発見は、データセットBおよび$Z^\prime$モデルを支持する。