[論文レビュー] Phenomenology of the minimal B-L extension of the Standard Model at the LHC

L. Basso|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 93被引用数 30

ひとこと要約

本稿は、標準模型の最小限のB-L拡張を検討し、ニュートリノ質量を説明するためにZ′ゲージボソンと重い右巻きニュートリノを導入する。LHCにおける発見可能性を分析し、Z′は主にレプトンに崩壊し、長寿命な重いニュートリノによってずれた頂点を生成しうることを示す。14 TeV LHCにおける三レプトンの署名が、主な発見チャンネルとなる。

ABSTRACT

A well-motivated framework to naturally introduce neutrino masses is the B-L model, a U(1) extension of the standard model related to the baryon minus lepton gauged number. Besides three right-handed neutrinos, that are included to cancel the anomalies (thereby naturally providing neutrino masses), this model also encompasses a complex scalar for the spontaneous symmetry breaking of the extended gauge sector and to give mass to the Z' boson. We present the phenomenology, the discovery potential at the LHC, and the most up-to-date experimental and theoretical limits of the new particles in this model.

研究の動機と目的

• 標準模型の最小限のB-L拡張の素粒子物理学的意味を調査すること。これは、自然にニュートリノ質量を生成するU(1)_{B-L}ゲージ対称性を導入することを目的とする。
• LHCおよびテバトロンにおけるZ′ボソンと重いニュートリノの発見可能性を評価すること。特に、生成断面積、分岐比、崩壊署名に注目する。
• スカラー系の理論的制約を、ユニタリティの境界と微分方程式（RGEs）を用いて導出すること。
• 長寿命な重いニュートリノに起因する多レプトンおよびずれた頂点の署名を分析すること。特にZ′ → νhνh崩壊チャンネルに注目する。
• 14 TeV LHCにおける三レプトン署名（Z′ → ℓ⁺ℓ⁻νh）の、部分素粒子レベルおよび検出器レベルの完全な解析を提示すること。これは、LHCにおける主な発見チャンネルである。

提案手法

• 三つの右巻きニュートリノ、対称性の自発的破れに寄与する複素スカラー、Z′ゲージボソンを含む、標準模型の最小限のU(1)_{B-L}拡張を構築する。
• 重い右巻きニュートリノとの混合を介して、スイープ機構を適用し、軽いニュートリノ質量を生成する。
• QCDおよび電弱相互作用の結合定数を用いて、Z′ボソンの生成断面積と分岐比を計算し、主にレプトンへの崩壊が支配的であることを示す。
• LHC（√s = 7および14 TeV）およびテバトロンにおける詳細な発見力の研究を実施し、有意性の等高線と実験的除外限界を用いる。
• スカラー系を検討し、二つのスカラー場の混合を分析し、ユニタリティとRGEsからの制約を導出する。
• 三レプトン署名（Z′ → ℓ⁺ℓ⁻νh）について、部分素粒子レベルおよび検出器レベルのシミュレーションを実施し、検出器のエネルギー分解能の影響と運動量再構成を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける最小限のB-LモデルにおけるZ′ボソンの生成断面積と分岐比は何か？
• RQ2 LEPおよびテバトロンからの実験的制約は、Z′ボソンのパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ3 このモデルにおける重いニュートリノは長寿命であり、検出器内でずれた頂点を生成できるか？
• RQ4 LHCにおけるZ′ボソンの主な発見署名は何か。特に多レプトンおよびニュートリノ最終状態に注目する。
• RQ5 ユニタリティおよび微分方程式（RGEs）からのスカラー系の理論的制約は何か？

主な発見

• Z′ボソンは主にレプトンに結合しており、M_{Z′} < 1 TeVの場合、特にℓ⁺ℓ⁻およびνℓ最終状態の分岐比が優勢である。
• √s = 14 TeVのLHCにおいて、M_{Z′} ≈ 1.5 TeVおよびg′₁ ≈ 0.2の条件下で、30 fb⁻¹の統合した光度でZ′ボソンが発見可能である。
• 重いニュートリノは長寿命であり、数cmのスケールの崩壊長を示し、多レプトン最終状態における検出可能性が向上する。
• 三レプトン署名（Z′ → ℓ⁺ℓ⁻νh）はクリーンな発見チャンネルを提供し、M_{Z′} ≈ 1.5 TeVの条件下で14 TeV LHCにおいて顕著な信号の有意性を示す。
• ユニタリティおよびRGEsからの理論的制約は、特に摂動的整合性を保つためにZ′質量およびゲージ結合定数のパラメータ空間を制限する。
• ヒッグスの混合は、Z′および重いニュートリノを伴う新しい生成メカニズムを生じさせ、特に多レプトンおよび運動量未検出状態の最終状態において特徴的な署名を示す。