[論文レビュー] Anomalously interacting extra neutral bosons

M. V. Chizhov, V. A. Bednyakov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ヒerarchical problemを解決するための標準模型の拡張（例えばゲージ・ヒッグス統一やテクニカラー）に由来する異常でスピン1のチャーミカルゲージボソン—$Z^*$ボソン—が、LHCで共鳴状態として生成され得ると提案している。これらの$Z^*$ボソンはフェルミオンと誘導的（テンソル）相互作用を通じて結合し、$Z'$ボソンとは著しく異なる角分布および横運動量分布を示す。この特徴により、初期のLHCデータにおいて、$Z'$ボソンとは明確に区別可能な独自の識別が可能となる。

ABSTRACT

We study phenomenological consequences of the Standard Model extension by the new spin-1 chiral fields with the internal quantum numbers of the electroweak Higgs doublets. There are at least three different classes of theories, all motivated by the hierarchy problem, which predict new vector weak-doublets with masses not far from the electro-weak scale. We discuss resonance production of these neutral chiral Z* bosons at hadron colliders. The bosons can be observed as a Breit-Wigner resonance peak in the invariant dilepton mass distributions in the same way as the well-known extra gauge Z' bosons. This includes them into a list of very interesting objects for early searches with the first LHC data. Moreover, the Z* bosons have unique signatures in transverse momentum, angular and pseudorapidity distributions of the final leptons, which allow to distinguish them from the other heavy neutral resonances.

研究の動機と目的

• 標準模型の階層問題に起因する拡張に由来する新しいスピン1のチャーミカルボソンの現象論的シグネチャーを調査すること。
• ハドロン衝突実験における二重レプトン終状態において、これらの$Z^*$ボソンの特徴的な実験的シグネチャー（特に角分布および横運動量分布）を同定すること。
• $Z^*$ボソンと従来の$Z'$共鳴状態を、特に$p_T$分布におけるヤコビアンピークの欠如に着目して、崩壊運動学的性質に基づいて区別すること。
• 初期LHCデータにおけるインvariant質量分布および運動学的分布を用いて、このような共鳴状態の早期発見可能性を評価すること。

提案手法

• フェルミオンと誘導的（テンソル）カレントを通じて結合する新しい弱いダブルットのスピン1チャーミカルボソン（$W^{*}_{\nu}$）を含む、最小限の標準模型の拡張を形式化する。
• 中性$Z^*$および$\widetilde{Z}^*$ボソンの有効ラグランジアンを導出する。その式は$\mathcal{L}^{*}_{NC} \propto \frac{g}{M} \left( \bar{D} \sigma^{\mu\nu} D \cdot \partial_\mu Z^*_\nu + i \bar{D} \sigma^{\mu\nu} \gamma^5 D \cdot \partial_\mu \widetilde{Z}^*_\nu \right)$であり、異常結合を記述する。
• $q\bar{q} \to Z^* \to \ell^+\ell^-$の微分断面積を計算し、$\frac{d\sigma}{d\cos\theta} \propto \cos^2\theta$であることを示す。これは$Z'$ボソンの$1 + \cos^2\theta$依存性とは対照的である。
• $Z^*$崩壊からの最終状態レプトンの横運動量（$p_T$）分布を分析し、$Z^*$崩壊が$M/2$未満の位置に広がった滑らかな盛り上がりを示すが、$Z'$ボソンとは異なり、鋭いヤコビアンピークを示さないことを示す。
• 運動学的分布（角分布、$p_T$、走査不活性度）を用いて、$Z^*$および$Z'$ボソンが1.15 TeVまでの質量で区別可能であることを示す。質量が高くなるほど分離能が向上する。
• 統計的推論を用いて除外限界を推定する。もし1 TeV以上のインバリアント二レプトン質量窓で何らかの事象が観測されなければ、95%信頼水準で$Z^*$共鳴状態の除外限界は1.65 TeVまで達する可能性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テンソル結合を持つ異常でスピン1のチャーミカルボソンは、LHCで共鳴状態として生成可能であり、その特徴的な崩壊シグネチャーは何か？
• RQ2 二重レプトン終状態における$Z^*$ボソンの角分布および横運動量分布は、標準的な$Z'$ボソンとどのように異なるか？
• RQ3 $Z^*$崩壊生成物の$p_T$分布におけるヤコビアンピークの欠如は、$Z'$ボソンと区別するためにどの程度有効に使えるか？
• RQ4 インバリアント質量分布および運動学的分布に基づいて、初期LHCデータが$Z^*$共鳴状態をどの程度の範囲で除外可能か？
• RQ5 $Z^*$ボソンの特徴的な運動学的特徴は、コンポジット性、新しい対称性、あるいは追加次元といった新しい物理学のシグネチャーとして機能できるか？

主な発見

• $Z^*$ボソンの崩壊分布は$\frac{d\sigma}{d\cos\theta} \propto \cos^2\theta$を示すが、これは$Z'$ボソンの$1 + \cos^2\theta$依存性とは根本的に異なる角分布をもたらす。
• $Z^*$崩壊からのレプトンの$p_T$分布は、運動学的端点$ p_T = M/2 $でゼロに達する。これは$Z'$崩壊とは異なり、振幅における極のキャンセルに起因する。
• $Z^*$崩壊におけるヤコビアンピークの欠如は、$p_T$スペクトルに広く滑らかな盛り上がりを生じさせ、ピーク位置による質量再構築が信頼できず、共鳴状態の同定を複雑にする。
• $p_T$、角、走査不活性度の運動学的分布を用いることで、$Z^*$および$Z'$共鳴状態は1.15 TeVまでの質量で区別可能である。
• 統計的解析により、1 TeV以上のインバリアント二レプトン質量窓で何らかの事象が観測されなければ、95%信頼水準で$Z^*$共鳴状態の除外限界は1.65 TeVまで延びる。
• $Z^*$ボソンの特徴的な運動学的シグネチャーは、もしこのような共鳴状態が発見された場合、コンポジット性、新しい対称性、あるいは追加次元といった新しい物理学を探索する明確な実験的手がかりを提供する。