[論文レビュー] Implication of the ALEPH 30 GeV dimuon resonance at the LHC

Pyungwon Ko, Jinmian Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ALEPHデータにおける報告された30 GeVの微子対共振状態の意味を検討し、3つの簡略化モデルを提案する：$Z'$が新しいベクトルリッククォーク$B$に結合するモデル、ヒッグスポータルを備えた$U(1)'$ゲージ模型、および直接$b\bar{b}$および$\mu^+\mu^-$に結合する共鳴状態モデル。分岐比は再現されるが、いずれのモデルとも観測された運動量分布を再現できないため、過剰は共鳴崩壊に起因しない可能性がある。

ABSTRACT

Recent reanalysis of ALEPH data on Z -> b bar{b} + X seems to indicate an existence of the dimuon excess around 30 GeV with a branching fraction for Z -> b bar{b} mu^+ mu^- around 1.1 X 10^{-5}. In this letter, we discuss three different types of simplified models for this possible excess. In the first class of models, we assume a new resonance couples to both b bar{b} and mu^+ mu^-. Within the allowed parameter space for the ALEPH data, this type of models is excluded because of too large Drell-Yan production of dimuon from the b bar{b} collision at the LHC. In the second model, we assume that the 30 GeV excess is a new gauge boson Z' that couples to the SM b and a new vectorlike singlet B quark heavier than Z and not to b bar{b}. Then one can account for the ALEPH data without conflict with the DY constraint. The new vectorlike quark B can be pair produced at the LHC 8/13 TeV by QCD with sigma(BB) ~ O(100-1000) pb, and Bq production rate is sigma(Bq) ~ a few pb which is larger than sigma(Bb) roughly by an order of magnitude. Their signatures at the LHC would be 2b + 4mu, bj + 2mu and 2b + 2mu, respectively, which however might have been excluded already by LHC run I and II data since the multi-muon events have low SM background and are rare at the LHC. In the third model, we consider Z -> Z' phi followed by Z' -> mu^+ mu^- and phi -> b bar{b} assuming that the Higgs field for Z' mass is also charged under the SM U(1)_Y gauge symmetry. In this class of model, we could accommodate the Br(Z -> b bar{b} mu^+ mu^-) ~ 1.1 X 10^{-5} if we assume very large U(1)' charge for the U(1)' breaking Higgs field. Finally, we study various kinematic distributions of muons and b jets in all the three models, and find that none of the models we consider in this paper are not compatible with the kinematic distributions extracted from the ALEPH data.

研究の動機と目的

• ALEPHの$Z \to b\bar{b}\mu^+\mu^-$データにおける報告された30 GeVの微子対共鳴状態を、分岐比$1.1 \times 10^{-5}$で説明すること。
• LHC制約、特にDrell-Yan生成を考慮しても矛盾のない、妥当な簡略化モデルを探索すること。
• 提案されたモデルがALEPHデータで観測された運動量分布（例：ミューオン・ジェット間の角度相関、$p_T$分布）と整合するかを検証すること。
• 新しい粒子のLHCにおける現象論的特徴を評価すること。具体的には、生成断面積と最終状態の特徴（例：$2b+4\mu$、$bj+2\mu$）を含む。

提案手法

• 3つの簡略化モデルを構築：(1) スピン0またはスピン1の共鳴状態が$b\bar{b}$および$\mu^+\mu^-$に結合するモデル、(2) $b$と新しいベクトルリック$B$クォークに結合する$Z'$ボソン、(3) $Z\to Z'\phi\to b\bar{b}\mu^+\mu^-$を生成するヒッグスポータルを備えた$U(1)'$ゲージ模型。
• パrameter空間を制限するため、$X \to b\bar{b}\mu^+\mu^-$、Drell-Yan $b\bar{b} \to X \to \mu^+\mu^-$、および$t \to bWX$過程の現象論的解析を実施。
• $B$クォークのLHCでの生成断面積を計算。$\sigma(BB) \sim O(100-1000)$ pbおよび$\sigma(Bq) \sim$ 数pbのオーダーとなり、多ミューオン最終状態を生成する崩壊チェーンが予想される。
• 自発的$U(1)'$対称性の破れに起因する$Z$-$Z'$-$\phi$頂点を用いて、$Z \to Z'\phi \to b\bar{b}\mu^+\mu^-$崩壊を生成。このため、ヒッグス場の$U(1)'$電荷が非常に大きくなければならない。
• すべてのモデルから得られる運動量分布（例：$\cos\theta_{\mu}^*$、ミューオン・ジェット間角度、相対$ p_T $）を、ALEPHデータから抽出されたものと比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $b\bar{b}$および$\mu^+\mu^-$に結合する新しい共鳴状態が、LHC制約に反しないままALEPHの30 GeV微子対過剰を説明できるか？
• RQ2 $Z'$ボソンと新しいベクトルリック$B$クォークの結合が、Drell-Yan制約を回避しながらALEPH信号を再現できるか？
• RQ3 ヒッグスポータルを備えた$U(1)'$ゲージ模型が、観測された割合で$Z \to Z'\phi \to b\bar{b}\mu^+\mu^-$崩壊を生成できるか？
• RQ4 3つのモデルが予測する運動量分布が、ALEPHデータで観測された角度相関および運動量相関と一致するか？

主な発見

• 最初のモデル（共鳴状態が直接$b\bar{b}$および$\mu^+\mu^-$に結合）は、$b\bar{b}$初期状態からの過剰な微子対生成によりLHCのDrell-Yan生成で除外される。
• 2番目のモデル（$Z'$ボソンと新しいベクトルリック$B$クォーク）は、ALEPHの分岐比をうまく再現でき、LHCで$\sigma(BB) \sim O(100-1000)$ pbおよび$\sigma(Bq) \sim$ 数pbの断面積を予測する。
• 3番目のモデル（$U(1)'$ゲージ対称性とヒッグスポータル）は、分岐比$\sim 1.1 \times 10^{-5}$を満たすためには、ヒッグス場の$U(1)'$電荷が非常に大きく、$\sim O(10^4)$である必要がある。
• 3つのモデルすべてが、ALEPHデータで観測された運動量分布（例：$\cos\theta_{\mu}^*$の$\pm1$付近のピーク、ミューオンと$b$ジェットの小角度）を再現できない。
• モデルが予測する多ミューオン最終状態（$2b+4\mu$、$bj+2\mu$）は、標準模型のバックグラウンドが低く、このような事象が稀であるため、LHCランIおよびIIのデータで既に除外されている可能性が高い。
• 運動量分布の不一致は、30 GeV微子対過剰が共鳴崩壊に起因するのではなく、非共鳴的寄与（例：半レプトン的$b$崩壊）に起因する可能性を示唆している。