[論文レビュー] Early LHC bound on W' boson in the nonuniversal gauge interaction model

Yeong Gyun Kim, Kang Young Lee|arXiv (Cornell University)|May 13, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、軽いフェルミオンと第3世代フェルミオンに別々の $SU(2)_l$ および $SU(2)_h$ 群を備えた非ユニバーサルゲージ相互作用モデルにおいて、7 TeVの初期LHCデータを用いて重い $W^\prime$ ボソンの質量に対する直接的制約を提示する。$\sin^2\phi \gtrsim 0.3$ の場合、$m_{W^\prime} \gtrsim 1.5$ TeV であるLHCの直接的制約が、CKM行列のユニタリティ破れおよびフラーバー変換過程からの間接的制約と整合的であることが示された。

ABSTRACT

We study the phenomenology of the heavy charged gauge boson and obtain the lower bounds on its mass with the early LHC data at 7 TeV center-of-mass energy in the nonuniversal gauge interaction model, in which the electroweak SU(2) gauge group depends upon the fermion family. We found that the direct bound on the mass of the $W'$ boson is compatible to the indirect bound with only the early data of the LHC.

研究の動機と目的

• 7 TeVの中心系エネルギーにおける初期LHCデータを用いて $W^\prime$ ボソン質量の直接的実験的制約を導出すること。
• フェルミオンの世代に依存する $SU(2)$ ゲージ結合を有する非ユニバーサルゲージモデルにおける $W^\prime$ ボソンの素性を調査すること。
• CKM行列のユニタリティ破れおよびレプトンフラーバー違反による間接的制約と、LHCからの直接的制約を比較すること。
• パrameter空間 $\sin^2\phi$ と $m_{W^\prime}$ において、直接的および間接的制約の整合性を評価すること。

提案手法

• 第一世代・第二世代と第三世代のフェルミオンに対して異なる結合を有する $SU(2)_l \times SU(2)_h \times U(1)_Y$ ゲージ群に基づく形式的枠組み。
• 二重双子スカラー $\Sigma$ を用いた自発的対称性の破れで、真空期待値 $\langle\Sigma\rangle = \text{diag}(u,u)$ をとる。これにより $W^\prime$ および $Z^\prime$ ボソンが生成される。
• $W^\prime$ ボソンの質量は $m_{W^\prime}^2 = m_0^2 / (\lambda \sin^2\phi \cos^2\phi)$ として導出され、ここで $m_0 = ev/(2\sin\theta)$ および $\lambda = v^2/u^2$ である。
• 電荷現在の相互作用は $W^\prime$ を介して、結合 $G^\prime_L = -g/\sqrt{2} \tan\phi$ を通じて行われ、非ユニバーサル結合が生じる。
• LHCからの制約は、$pp \to \ell\ell\nu$ 終状態における $W^\prime$ シグナルの不在と、横方向質量分布の解析から導出される。
• 間接的制約は、CKM行列のユニタリティ破れ（$\Delta = 2\lambda\sin^4\phi$）およびレプトンフラーバー違反を用いて、実験的制約に基づく $\Delta$ およびLFV過程の解析から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ユニバーサルゲージモデルにおいて、7 TeVの初期LHCデータから $W^\prime$ ボソン質量の直接的下限は何か？
• RQ2 LHCからの直接的制約は、CKMユニタリティ破れおよびレプトンフラーバー違反からの間接的制約とどのように比較できるか？
• RQ3 $SU(2)_l$ と $SU(2)_h$ 間の混合角 $\phi$ に依存する $W^\prime$ ボソン質量の制約の依存性は何か？
• RQ4 $\sin^2\phi$ が小さい領域では $W^\prime$ 結合が存在するにもかかわらず、なぜ制約が弱くなるのか？
• RQ5 初期LHCデータは、精密電弱および低エネルギーのフラーバー物理データと比較して、すでに競争力のある制約を提供できるか？

主な発見

• 36 pb$^{-1}$ の2010年データを用いた解析から、$\sin^2\phi = 0.3$ の場合、$W^\prime$ ボソン質量に対する直接的LHC制約は $m_{W^\prime} \gtrsim 1.5$ TeV である。
• 直接的LHC制約は、$\sin^2\phi > 0.18$ の範囲でCKMユニタリティ破れからの間接的制約と整合的である。
• $\sin^2\phi$ が小さい領域では、$pp \to ud \to W^\prime \to \ell\ell\nu$ チャネルにおける $W^\prime$ の生成および崩壊断面積が抑制されるため、制約が著しく弱まる。
• CKMユニタリティ破れ（$\Delta = 2\lambda\sin^4\phi$）からの間接的制約は、電弱精密測定および低エネルギー中性荷電現在データの制約を上回る強い制限を提供する。
• ニュートリノ質量が不確実な状況においても、木レベルのFCNC相互作用によるレプトンフラーバー違反は、保守的な間接的制約を提供する。
• このモデルでは、$\Sigma$ の対称的真空期待値構造のため、$W^\prime$ と $Z^\prime$ ボソンの質量が等しくなる。すなわち $m_{W^\prime} = m_{Z^\prime}$ である。