[論文レビュー] A Z-prime interpretation of Bd->K*mu+mu- data and consequences for high energy colliders

F. Richard|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、331モデルにおけるLHCbのB_d → K*μ⁺μ⁻崩壊における異常をZ′ボソンの解釈として提案し、Z′の結合定数と質量が異なる2つの異なるシナリオがデータを説明できることを示している。高エネルギー加速器、例えば500 GeVのILCとLHCは、フェルミオン最終状態とZ′-Z混合の精密測定によってモデルの構造を調べられることを示しており、ILCはβといった331モデルの基本的パラメータを明確に区別できる唯一の機器である。

ABSTRACT

In this note, I examine the possible consequences for high energy colliders of a Z-prime interpretation of the LHCb anomaly observed in the K*mu+mu- final state. Two examples are elaborated in the framework of the so-called 331 model. In the first one it is shown that LEP2 provides the tightest lower mass limit for the Z-prime boson, above 8 TeV, while in the second one the lower mass limit is set by ATLAS/CMS to about 3 TeV. It is then shown that precision measurements at ILC 500 GeV can fully explore the underlying structure of the model by measuring the fermion final states separately: leptons, charm, beauty and top final states. Z-prime-Z mixing can also be substantial, thus leading to possible effects almost observable at LEP1 and which can be precisely measured at GigaZ. Discovery prospects for heavy bosons and heavy fermions at LHC are also discussed .

研究の動機と目的

• LHCbのB_d → K*μ⁺μ⁻崩壊における異常が331モデル内でのZ′ボソンによって説明可能かどうかを調査すること。
• LEP2、ILC、LHCといった高エネルギー加速器が331モデルが予測するZ′および関連する重い粒子を発見可能かどうかを評価すること。
• ILCがレプトン、charmクォーク、bottomクォーク、topクォークといった分離した最終状態を測定することで、331モデルのβパラメータを一意に特定できることを確認すること。
• Z′-Z混合の役割と、LEP1およびGigaZでの観測可能性を評価すること。
• ATLASとCMSのZ′発見感度を、特に結合定数の運行効果を考慮した場合に、異なる331シナリオにおいて比較すること。

提案手法

• 331モデル内で2つのベンチマークシナリオを構築：β = -√3、M_Z′ = 7 TeVの大きなZ′結合定数を持つ場合と、β = -2/√3、M_Z′ = 3.2 TeVの小さな結合定数を持つ場合。
• 331モデルの電荷式 Q = T3 + βT8 + X1 を用いてフェルミオンの電荷を定義し、異常自由性を保証すること。
• LHCbのデータ、Bs → μ⁺μ⁻、およびBs-Bs̄混合の制約を適用して、Z′がb→sおよびμ⁺μ⁻に与える結合定数を固定すること。
• Z′結合定数への影響を評価するため、0.231（SM）から約4 TeVで0.25にまで運行するsin²wを計算すること。
• パートンレベルのQCD過程（q q̄ → Z′ → μ⁺μ⁻）を用いて、LHCにおけるZ′生成断面積と双レプトンへの分支比を推定すること。
• Z′-Z混合角をモデル化し、Z極観測量（LEP1におけるAFB(b)、GigaZにおける精密測定）への影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 β = -√3およびM_Z′ = 7 TeVの331モデルにおけるZ′ボソンが、現実的な結合定数と質量を伴ってB_d → K*μ⁺μ⁻のLHCb異常を一貫して説明可能か？
• RQ2 sin²wの運行がZ′結合定数とモデルの妥当性に与える影響は何か？
• RQ3 LEP2、ILC、LHCが、331モデルにおけるZ′および関連する重い状態をどのように補完的に探査できるか？
• RQ4 500 GeVのILCが、分離したフェルミオン最終状態（レプトン、cクォーク、bクォーク、tクォーク）を測定することで、331モデルのβパラメータを一意に特定できるか？
• RQ5 Z′-Z混合はLEP1で観測可能であり、GigaZで高精度に測定可能である程度までであり、これによりモデルの性質がどのように明らかになるか？

主な発見

• β = -√3、M_Z′ = 7 TeVのシナリオ1は、LEP2によって除外され、Z′ボソンの質量下限が8 TeVと設定されている。
• β = -2/√3、M_Z′ = 3.2 TeVのシナリオ2は、LHCの制約と整合しており、14 TeVのLHCで、標準模型のZ′よりも最大3倍の分支比を持つことから発見可能である。
• 500 GeVのILCは、分離した最終状態（レプトン、cクォーク、bクォーク、tクォーク）を測定することで、331モデルを明確に確立でき、βの精密決定が可能である。
• Z′-Z混合は顕著であり、LEP1でも観測可能であった可能性がある。GigaZは混合角を高精度で測定でき、モデルを検証し、AFB(b)の異常を解消する。
• チャージドヒッグスボソン（H±）は、シナリオ1で2.2 TeV、シナリオ2で2.14 TeVの質量を予測しており、高エネルギー加速器で探査可能である。
• sin²wの運行は、シナリオ1においてZ′結合定数を顕著に増強するが、これによりLHCbのデータと整合しなくなる。このため、運行効果を補正する必要があり、その結果としてシナリオ2がより好ましいとされる。