[論文レビュー] Probing for chiral $Z^\prime$ gauge boson through scattering measurement experiments

Kento Asai, Arindam Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、左巻きおよび右巻きフェルミオンが $Z^\prime$ と異なった割合でカップルする $U(1)_X$ 拓張標準模型におけるキラル $Z^\prime$ ゲージボソンを調査する。これにより、$Z^\prime$ を介した散乱過程が特徴的に現れる。FASER$\nu$(2)、SND@$\text{LHC}$、COHERENT、NA64、MUonE、BaBaR、LHCb、CMS、LEP からの再解釈データを用いて、$g_X$ および $M_{Z^\prime}$ に対する厳密な制約を導出し、散乱およびビーム・ダンプ実験が 0.02 から 150 GeV の $Z^\prime$ 質量を探索できることを示している。

ABSTRACT

Motivated by the observation of tiny neutrino mass can not be explained within the framework of Standard Model (SM), we consider extra gauge extended scenarios in which tiny neutrino masses are generated through seesaw mechanism. These scenarios are equipped with beyond the standard model (BSM) neutral gauge boson called $Z^\prime$ in the general $U(1)_X$ symmetry which is a linear combination of $U(1)_Y$ and $U(1)_{B-L}$. In this case, left and right handed fermions interact differently with the $Z^\prime$. The $Z^\prime$ gives rise to different processes involving neutrino-nucleon, neutrino-electron, electron-nucleus and electron-muon scattering processes. By comparing with proton, electron beam-dump experiments data, recast data from searches for the long-lived and dark photon at BaBaR, LHCb and CMS experiments, the electron and muon $g-2$ data, and the data of the dilepton and dijet searches at the LEP experiment, we derive bounds on the gauge coupling and the corresponding gauge boson mass for different $U(1)_X$ charges and evaluate the prospective limits from the future beam-dump scenarios at DUNE, FASER(2) and ILC. We conclude that large parameter regions could be probed by scattering, beam-dump and collider experiments in future.

研究の動機と目的

• 左巻きおよび右巻きフェルミオンが異なる $U(1)_X$ 電荷を持つ $U(1)_X$ 拡張標準模型におけるキラル $Z^\prime$ ゲージボソンの素粒子物理学的性質を調査すること。
• $Z^\prime$ を介した散乱過程を用いて、$U(1)_X$ ゲージ結合定数 $g_X$ および $Z^\prime$ 質量 $M_{Z^\prime}$ に対する制約を導出すること。
• 散乱、ビーム・ダンプ、加速器実験からの既存および将来の実験的制約を比較し、0.02–150 GeV の範囲における $Z^\prime$ 探索感度を評価すること。
• FASER$\nu$(2)、NA64、LHCb、および将来の ILC-BD といった異なる実験の相補性を、$Z^\prime$ 質量領域に応じて評価すること。
• フェルミオンの世代に依存しないカップリングを仮定した場合、$g-2$ 測定が $Z^\prime$ カップリングを制約する役割を果たすかを評価すること。

提案手法

• FASER$\nu$(2)、SND@$\text{LHC}$、COHERENT、NA64、MUonE などの既存実験データを再解釈し、$Z^\prime$ を介したニュートリノ-核子、電子-核、電子-ミューオン散乱における $g_X$ および $M_{Z^\prime}$ の制限を導出する。
• 左巻きおよび右巻きフェルミオンの $U(1)_X$ カップリングが非対称である $U(1)_X$ モデルにおける $t$-チャネル過程を用いて、$Z^\prime$ 散乱を記述する。
• ゲージ異常および混合ゲージ-重力異常のキャンセレーション条件を適用し、ゲージ不変性および異常自由性を保証する。これには、非一様な $U(1)_X$ 電荷を持つ3世代の右巻きニュートリノが必要である。
• BaBaR、LHCb、CMS におけるダークフォトン探索データを再解釈し、特に 1–150 GeV の範囲で $g_X$ および $M_{Z^\prime}$ を制約する。
• 電子およびミューオン実験からの $g-2$ データを分析し、フェルミオン世代間でカップリングが一様であると仮定して $Z^\prime$ 捐助を制約する。
• LEP からの二レプトンおよび二ジェット探索結果と比較し、異なる質量および結合定数領域における制約の相補性と頑健性を評価する。

Figure 1: Number of muon neutrino pass through the FASER $\nu$ (left panel) and SND@LHC (right panel) detectors. Thirty energy bins are defined uniformly on the logarithmic scale in [10, $10^{4}$ ] GeV.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル $U(1)_X$ 電荷は、$\mathcal{G}_{\rm SM} \otimes U(1)_X$ モデルにおける左巻きおよび右巻きフェルミオンへの $Z^\prime$ カップリングにどのように影響するか？
• RQ2 0.02–150 GeV の範囲で、$Z^\prime$ を介した散乱過程に対する $g_X$ および $M_{Z^\prime}$ の最も強い実験的制約は何か？
• RQ3 NA64、E141、DUNE などのビーム・ダンプ実験は、FASER$\nu$(2) や JSNS2 などの散乱実験と比較して、$Z^\prime$ 探索においてどの程度感度が高いか？
• RQ4 フェルミオンカップリングが世代に依存しない場合、$g-2$ 測定は $Z^\prime$ カップリングをどの程度制約するか？
• RQ5 FASER$\nu$(2)、ILC-BD、DUNE のうち、どの将来の実験が軽い $Z^\prime$ ボソンの探索において最も有望な感度を示すか？

主な発見

• FASER$\nu$(2)、SND@$\text{LHC}$、JSNS2 などの散乱実験は、0.02–0.2 GeV の $Z^\prime$ 質量領域を探索可能であり、$M_{Z^\prime} \leq 0.04$ GeV の範囲で $g_X \sim 10^{-6}$ の感度に達する。
• LHCb におけるダークフォトン探索は、$M_{Z^\prime} \geq 0.21$ GeV の領域できびしい制約を与える。0.21–70 GeV の範囲では $g_X \in [3.5 \times 10^{-6}, 10^{-4}]$ であり、$M_{Z^\prime} \approx 10$ GeV 付近ではさらに厳しい制約が得られる。
• BaBaR および CMS のダークフォトン探索データは、$M_{Z^\prime} \approx 1$ GeV および $3$ GeV の周辺で最も強い制約をもたらし、狭い領域では $g_X \lesssim 10^{-5}$ となる。
• 電子およびミューオン実験からの $g-2$ データは、モデルにおけるフェルミオンの世代に依存しないカップリングのため、散乱およびビーム・ダンプ実験に比べて弱い制約しか得られない。
• 将来のビーム・ダンプ実験（FASER$\nu$(2)、ILC-BD、DUNE）は、$M_{Z^\prime} \leq 0.04$ GeV の範囲で $g_X \sim 10^{-6}$ の感度を示す見込みであり、JSNS2 の制約は $x_H$ に依存して将来の感度を超える可能性がある。
• 既存のビーム・ダンプ実験（例：$\nu$-cal、E137、NA64）は、$M_{Z^\prime} \leq 0.08$ GeV の範囲で $g_X \in [10^{-6}, 0.01]$ を除外する。DUNE はこの質量領域ではやや弱い制約となる。

Figure 2: The neutrino-proton scattering cross section $\sigma_{\nu p}$ divided by the incoming neutrino energy $E_{\nu}$ . The gauge coupling $g_{X}$ is set to the unity.