[論文レビュー] Dijet and electroweak limits on a $Z'$ boson coupled to quarks

Bogdan A. Dobrescu, G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 53被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、バリオン数対称性を介してクォークと結合する $Z'$ ボソンに関する、更新された LHC ダイジェット共鳴限界と電弱的制約を提示する。質量範囲を 5 GeV から 5 TeV に拡張した結合-質量平面の解析を実施。異常粒子質量を含むループ補正を通じて、$Z'_B$ と標準模型の $Z$/$\gamma$ ボソン間の運動的混合を計算し、電弱精度測定、$\Upsilon$ 衰え、LEP データから低質量領域のきびしい制約を導出。$M_{Z'} \lesssim 1$ TeV の場合、$Z'_B$ の結合定数は $g_B \lesssim 0.1$ に制限されることが示された。

ABSTRACT

An insightful way of presenting the LHC limits on dijet resonances is the coupling-mass plot for a $Z'$ boson that has flavor-independent quark interactions. This also illustrates the comparison of low-mass LHC sensitivity with constraints on the flavor-independent $Z'$ boson from electroweak and quarkonium measurements. To derive these constraints, we compute the $Z'$ mixing with the $Z$, the photon, and the $Υ$ meson, emphasizing the logarithmic dependence on the masses of the new electroweak-charged fermions (``anomalons") required to cancel the gauge anomalies. We update the coupling-mass plot, extending it for $Z'$ masses from 5 GeV to 5 TeV.

研究の動機と目的

• 5 GeV から 5 TeV の質量範囲にわたる、フレーバー対角的でクォークと結合する $Z'$ ボソンの結合-質量平面における制約を更新・拡張すること。
• 最小の $U(1)_B$ モデルにおける異常粒子場を含むループ補正を通じて、$Z'_B$ と標準模型の $Z$/$\gamma$ ボソン間の運動的混合を計算すること。
• LHC ダイジェット共鳴限界と電弱精度測定、$\Upsilon$ メソンの崩壊、LEP の制約を統合し、$Z'_B$ の結合定数に対する包括的な制約を導出すること。
• 異常粒子質量が $M_{Z'} < M_Z$ の場合に、$Z'_B$ と $Z$ や光子との混合を媒介する役割を明確にすること。
• 将来のコライダー探索のベンチマークを提供するため、$Z'_B$ パラメータ空間における感度のギャップと物性的制約を特定すること。

提案手法

• バリオン数（1/3）に比例する左・右ヘリシティクォークへの普遍的結合を持つ $Z'_B$ ラグランジアンを構築し、レプトファビック性を保証する。
• NLO QCD での $Z'_B$ の生成および崩壊幅を計算し、質量に応じて主要な崩壊モードが $jj$ または $t\bar{t}$ に変化することを評価する。
• 次元正則化と $\overline{\text{MS}}$ スキームを用い、フェルミオンループを含む1ループダイアグラムにより、$Z'_B$ と SM $Z$/$\gamma$ ボソン間の運動的混合 $\kappa_Z$ を評価する。
• 有限の混合係数 $\kappa_Z \propto \sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) \mathcal{F}(m_f^2/p^2)$ を導出し、ここで $\mathcal{F}$ はループ運動量と質量依存性を記述する。
• 電弱精度観測量、$\Upsilon$ メソンの崩壊（$\Upsilon \to Z'_B \gamma$）、直接的な $q\bar{q}$ 共鳴探索、および電荷を帯びた異常粒子に対する LEP の制約を適用する。
• 発散をキャンセルし、混合振幅の有限性を保証するため、$\sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) = 0$ の直交性条件を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5 GeV から 5 TeV の全質量範囲にわたる $Z'_B$ ボソンに対する更新された LHC ダイジェット共鳴限界は何か？
• RQ2 UV 完備化における異常粒子の質量が、$Z'_B$ と SM $Z$/$\gamma$ ボソン間の運動的混合にどのように依存するか？
• RQ3 低質量 $M_{Z'}$ の領域において、電弱精度測定、$\Upsilon$ 衰え、LEP データから $Z'_B$ の結合定数に課される最も強い制約は何か？
• RQ4 QCD ダイジェット探索、$Z'_B$ を介した $Z \to Z'_B \gamma$ 衰え、$t\bar{t}$ 閾値の相互作用が、許容可能なパラメータ空間をどのように形作るか？
• RQ5 低質量 $Z'_B$ モデルからの制約は、高質量ダイジェット探索の制約をどれほど上回るか、あるいは補完するか？

主な発見

• 結合-質量平面における $Z'_B$ の制約は 5 TeV まで拡張され、$\sim$1 TeV 以上の領域では LHC ダイジェット探索が主な感度を占めることが示された。
• $M_{Z'} \lesssim 1$ TeV の領域では、電弱精度測定と $\Upsilon$ メソンの崩壊がダイジェット探索を上回る制約を提供し、$M_{Z'} \sim 1$ TeV で $g_B \lesssim 0.1$ に制限される。
• 運動的混合 $\kappa_Z$ は有限であり、$\sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) \mathcal{F}(m_f^2/p^2)$ に比例する。ここで $\mathcal{F}$ はループ運動量と質量依存性を記述する。
• $\Upsilon \to Z'_B \gamma$ 衰えは、$M_{Z'} \lesssim M_\Upsilon$ の領域において特に有効な制約を提供し、$Z'_B$ が $Z$ ボソンより軽い場合に顕著である。
• 電荷を帯びた異常粒子に対する LEP の制約と、$Z \to Z'_B \gamma$ の異常崩壊は、特に 5–100 GeV の質量範囲で $Z'_B$ の結合定数をさらに制限する。
• $M_{Z'}/2$ 未満の異常粒子質量を持つ最小の $Z'_B$ モデルでは、顕著な混合効果が生じ、低質量 $Z'_B$ の物性的記述が UV 完備化の詳細に強く依存することが明らかになった。